EP0972431B1 - Particle manipulation - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method and a device for Manipulation of microscopic particles, in particular for Manipulation of particles in a plasma crystalline state.
- a gas comprises in the plasma state, for example, by a Glow or gas discharge is generated, variously charged Particles, such as positively or negatively charged ions, electrons and radicals, but also neutral atoms.
- Particles such as positively or negatively charged ions, electrons and radicals, but also neutral atoms.
- the charge can vary depending on the particle size and the Plasma conditions (gas type, plasma density, temperature, pressure etc.) reach a few hundred thousand electron charges.
- suitable particle and plasma conditions form between the charged particles Coulomb forces under which Effect the particles the plasma crystalline state as two- or take three-dimensional arrangement. It plays alongside The Coulomb forces also an energy deprivation of the particles due to collisions with neutral atoms in the plasma.
- FIG. 14 An arrangement for the formation of plasma crystals is exemplary shown in Fig. 14 (see also the above Publication in Phys. Rev. Lett.).
- a reactor vessel walls not shown
- two plane Discharge electrodes arranged one above the other.
- the lower one circular or disc-shaped RF electrode 11 is provided with a AC voltage controlled
- the upper annular counter electrode 12 is z. B. grounded.
- the electrode distance is approx. 2 cm.
- a control circuit 13 is adapted to the RF generator 14 to connect to the RF electrode 11 and the grounding and disconnecting circuit 15 of the counter electrode 12 to drive.
- the high frequency energy for example, with a Frequency of 13.56 MHz and an output of approx. 5 W coupled become.
- the carrier gas is made by noble gases or reactive Gases formed at a pressure of about 0.01 - 2 mbar.
- About a (not shown) Staubdispensor become dust particles introduced into the reactor. Arrange the dust particles behave as a plasma crystal in an equilibrium state, in the gravitational force G acting on the particles electric field force E is balanced by a DC field in the vicinity of the RF electrode 11 on the Dust particles is exercised depending on their charge. If it is a monodisperse dust size distribution, so the plasma crystal arrangement takes place either as a monolayer in a plane, or as a multi-layered state in training 3-dimensional plasma crystals.
- the plasma crystal is under illumination up to a particle size of about 1 micron with recognizable to the naked eye.
- the visualization of the plasma crystal is through a side-mounted helium-neon laser 16 improves its beam with a cylindrical lens combination 16a on the size of the lateral crystal expansion with a thickness of approx. 150 microns is fanned out.
- the observation of the plasma crystal is carried out with a CCD camera 17, the provided with a magnifying macro-optics 18 and by a Image processing 19 is controlled, which also works with the laser 16 communicates.
- the behavior of microscopic particles in plasmas is of high theoretical and practical interest.
- the theoretical Interest is particularly related to the plasma crystals and their state changes.
- the practical interest is derived from the fact that plasma reactors used in coating or processing methods (in particular in semiconductor technology) be used, an electrode assembly according to Fig. 14 have.
- DE 44 12 902 A1 discloses a method for increasing the coating rate and to reduce the dust density in one Plasma discharge space and a plasma chamber known.
- one Plasma process space is along the surface of a machined Workpiece set a predetermined dust density.
- the position of the workpiece in the plasma process space is changeable by a sliding bracket.
- the object of the invention is a method of manipulation of particles in plasmas, in particular for influencing the particle itself or to modify a substrate surface, and an apparatus for realizing the Specify method.
- the invention is based on the following basic findings.
- the properties of a plasma crystal in particular The geometric shape depends not only on the properties of the Plasma or the particles from. Rather, it is possible the figure a plasma crystal, in particular the shape of the outer Outline or cross-sectional shape through a location-selective Influencing the above balance between gravitational forces and modify electrical forces.
- the external forces acting on the particles for example by a location-dependent change of a static, quasi-static or low-frequency variable electric field between the electrodes of a plasma reactor, by a site-selective particle discharge or by a site-selective particle irradiation varies (action of adjusting forces).
- Another important aspect of the invention is in that by the site-selective deformation of a plasma crystal different subregions of the plasma crystal different Plasma conditions are exposed. This will in particular in a plasma between two substantially planar ones Electrodes are a site selective plasma treatment of parts of the Plasma crystal (e.g., coating or ablation) is possible. Such a site-selective particle treatment may be connect a plot to a substrate.
- a site selective plasma treatment of parts of the Plasma crystal e.g., coating or ablation
- the formation of a plasma crystalline state by the presence of a substrate in a plasma reactor, in particular between reactor electrodes to form a Glow or gas discharge is unaffected.
- the above-mentioned switching operations in the immediate Near a flat, flat or curved substrate and then measure the distance between the particles in the plasma crystalline state and the substrate surface reduce so that at least one predetermined part the particles are applied to the substrate surface.
- the reduction in distance can either by influencing the Field forces that hold the particles in position, or through Movement of the substrate surface done.
- particles can in plasma-crystalline state in arbitrarily designed patterns deposited on substrate surfaces.
- the modified Surfaces are generated. Due to the applied particles the modified surfaces have altered electronic, optical and / or mechanical properties. It is but also possible, the site-selectively applied particles even for masking or conditioning the substrate surface before a subsequent further coating step to use.
- An inventive device for manipulating particles in the plasma crystalline state comprises a reaction vessel, the means for forming a plasma and at least one Contains substrate.
- the means for the formation of the plasma become preferably by flat, substantially parallel electrodes formed, in the space between which the substrate is movable is.
- the electrodes in the reaction vessel can field-forming Structures for the site - selective influence of the particles in the have plasma crystalline state.
- In the reaction vessel can and means for site-selective particle discharge (e.g., UV exposure means with a masking device), means for applying a radiation pressure to the particles, observing means and control means.
- a particular aspect of the invention is the design the electrodes for the site-selective influencing of the particles in the reaction vessel.
- an electrode device or: adaptive electrode indicated that a variety of electrode segments simultaneously with a High-frequency voltage and each individually with a specific DC or low frequency voltage applied are.
- the high frequency voltage is set to a Create or maintain plasma state in the reaction vessel, while the DC or low frequency voltage to do so is set up, in the reaction vessel a static or slow to produce variable field distribution, under the effect of which the particles arrange or move in the reaction vessel.
- the adaptive electrode is formed of a miniaturized electrode segments (Dot electrodes) formed matrix arrangement, the design the matrix arrangement as a substantially planar, layered Component whose electrode side points to the reaction vessel and the back of which carries control electronics which Pressure relief of the component z. B. by forming a negative pressure in the room to which the back of the electrode device points, and the provision of a tempering device for the control electronics.
- Dot electrodes miniaturized electrode segments
- the schematic side view of an arrangement for manipulation of plasma crystals shows an HF electrode 11, a grounded counter electrode 12, a control device 13, an RF generator 14, a switching device 15, an observation light source 16 with a cylindrical lens arrangement 16a, an observation means in the form of a CCD camera 17 with a magnifying optics 18 and an associated control device 19.
- a dust dispenser 21 with a reservoir 22, a conditioning device 23 and an inlet means 24 is set up to place particles in the space between the RF electrode 11 and the counter electrode 12 introduce.
- the conditioning device 23 may, for example, a Precharging device for the particles included.
- the arrangement according to the invention further comprises a substrate 30, that with an adjustment 30 in all directions is mobile.
- FIG. 1 does not show the wall of the reaction vessel, which forms a closed space for the carrier gas and vacuum-tight the electrodes 12, the substrate 30 and Includes parts of the particle delivery device.
- the wall may further comprise windows for radiation input and output.
- Figure 2 shows schematically a plan view of parts of the invention Arrangement according to FIG. 1, namely the HF electrode 11 and the substrate 30 with the adjusting device 31.
- an unloading device 24, not shown in Fig. 1 shown for the site-selective discharge of particles in the plasma-crystalline state is established.
- the unloader 24 includes a UV light source 25 and an imaging and masking system 26, irradiated with the parts of the plasma crystal and under action the UV radiation can be discharged.
- reaction vessel in particular between the RF and counter electrodes, which act as discharge electrodes, a plasma is ignited in a carrier gas.
- a special Advantage of the invention is that of the type of Carrier gases are no special requirements.
- the plasma conditions (type and density of the gas, RF power, Frequency, pressure etc.) can be made by the professional according to the conditions the plasma arrangement and the desired crystal properties to be selected. That can, for example, too Low energy argon charges or silane discharges among the Conditions, as in the case of plasma deposition in semiconductor technology to be used.
- the use of a reactive gas such as. Silane is for further treatment steps on Plasma crystal of advantage. Energy of ions in plasma corresponds essentially to the gas temperature. This is going through the discharge conditions and optionally by an external Cooling determined. Thus, for example, in an inventive Arrangement of a (not shown) nitrogen cooling be provided.
- the particles to be manipulated introduced into the electrode space are the particles to be manipulated introduced into the electrode space.
- the particle size is in the range of 20 nm to 100 ⁇ m.
- the lower limit of the Particle size is determined by the pressure conditions in the reaction vessel and about charging.
- the particles must be like that be difficult, that in the plasma-free state, the particles under Effect of gravity to perform a vertical movement and do not remain in limbo.
- the upper limit of the particle sizes is due to the so-called Debye length between the set adjacent particles.
- the Debye length increases proportionally to the root of the plasma temperature or inversely proportional to the root of the plasma density.
- Another special Advantage of the invention is that in addition to the size requirements no further to the particles to be manipulated Restrictions on the shape or material of the Particles exist.
- the Particles are any, e.g. round, needle-shaped, tubular or plate-shaped particles usable.
- the Particles must be solid or have sufficient dimensional stability under the plasma conditions. It is preferably a Material used, in the particle size range of interest has special electrical or optical properties. It can also be used a material that has a Composition of various substances, e.g. organic Fabrics, is.
- the particles introduced into the plasma form a plasma crystal 10 (see Figures 1, 2).
- the plasma crystal is through a level, area, regular particle arrangement characterized.
- the particle assembly may be a monolayer, as shown below Referring to Fig. 3 is explained, a multilayer or to be a three-dimensional structure.
- the RF electrode has a negative DC voltage. at a diameter of the electrodes of approx. 8 to 10 cm, one Electrode distance of approx. 2 cm and a preload on the HF electrode 11 of approx. -15 volts, for example, arrange themselves Polymer particles of a characteristic size of approx. 7 ⁇ m as a flat cloud with a distance of approx. 0.5 cm from the HF electrode 11 on.
- the dimensions given here by way of example change changed electrode parameters (electrode diameter, electrode distance, Voltage values) accordingly.
- the electrode diameter can be in the range of a few centimeters, for example up to 60 cm and the electrode distance can be in the range of 1 cm to 10 cm.
- the substrate 30 is between the RF electrode 11 and the plasma crystal 10 arranged. Also in relation to the substrate material and the substrate shape are advantageously none Restrictions. In particular, it can be both a conductive as well as a non-conductive substrate without that the conditions for plasma crystal formation change.
- This treatment position can the Equilibrium state upon formation of the plasma crystal after Introduce the particles into the reactor. It is but also possible to move the plasma crystal 10, in particular the relative position with respect to the electrodes or the To change substrate. This is done, for example, by a change the plasma conditions. Thus, by changing the Carrier gas density, a change in the particle charge and thus a Change in the state of equilibrium between gravitational force and electrical power can be achieved. The same applies when changing the negative bias of the RF electrode or at an external discharge of the particles.
- In the treatment position will be at least one in a next step Part of the particles of a plasma treatment or a plot subjected to the substrate.
- the plasma treatment may, for example, be a particle surface coating or removal.
- a gradual lowering of the plasma crystal to a lesser height above the RF electrode lead that the lowest layers of the plasma crystal one be subjected to selective plasma etching process.
- a plasma change can be made while the reactor is in operation be provided.
- the distance between the plasma crystal and the substrate surface may be any suitable change the distance between the plasma crystal and the substrate surface be used.
- a first alternative becomes the plasma crystal by changing the plasma conditions lowered to the substrate.
- a second alternative is Substrate with the adjustment device 31 to the plasma crystal raised.
- the discharge between the electrodes is switched off, so that the Plasma goes out and the particles fall onto the substrate.
- the particle adsorption be reinforced by an overlay.
- FIG. 3 shows the result of a particularly simple example Particle application to the substrate surface accordingly the third alternative mentioned above. It is one Plasma-crystalline monolayer, as with the image pickup device 17 can be observed in a free-hanging Condition in the plasma (structures with unfilled border) and in the adsorbed state (structure with filled border) on one Substrate after expiration of the plasma shown.
- the particle dimensions amount to approx. 5 to 10 ⁇ m at distances of approx. 200 or 300 ⁇ m.
- the inventors have found for the first time that in this particularly simple application of the particles on the substrate the regular arrangement almost completely is preserved as this is the minimum deviations between the particle position in the suspended or adsorbed state ieigen. Because of this property, it is possible microscopic Particles with high accuracy on a substrate surface to place.
- Fig. 4 shows a schematic side view of a detail an inventive arrangement for particle manipulation.
- the plasma crystal 40 is multi-curved in cross-sectional shape formed essentially the course of the static electric field in the space between the electrodes equivalent.
- the field between the electrodes is replaced by a Electrode structuring 41 site-selectively deformed.
- An example is the electrode structuring by means of additional electrodes 41 (needle electrodes) formed with a positive voltage applied and isolated by the counter electrode 12 are performed.
- the plasma crystal follows the site-selective deformation of the electric field, so that the multi-arched crystal form is formed.
- the additional electrodes 41 can be arranged in rows or areas be. Instead of a positive potential, the additional electrodes 41 also subjected to a negative potential be.
- Fig. 4 In the lower part of Fig. 4 are two examples of a location-selective Substrate coating with a manipulated according to the invention Plasma crystal shown schematically. Done one Formation of the plasma crystal such that the crystal cross-sectional shape pointing upwards bulges, so leads an approximation of the plasma crystal to the substrate 30 according to the above first or second alternative to a Coating pattern corresponding to the lower left part of Fig. 4. Conversely, a downwardly facing bulge set (by negative potentials of the additional electrodes 41), so the mutual approach leads to an island-like Coating according to the lower right part of Fig. 4.
- the additional electrodes can be any coating pattern e.g. in the form of circles, rings, bows, stripes or the like. form on the substrate surface. Additional modifications are possible if the additional electrodes according to FIG. 4 are movably arranged, so that the manipulation of the plasma crystal 40 can be varied over time. Accordingly Different coating patterns can be consecutive on the substrate 30.
- Fig. 5 shows an exploded view of a reaction vessel 20, which is set up for the realization of the invention.
- the Reaction vessel 20 is not only explained in the following adapted adaptive electrode, but can also in conjunction with the embodiments shown in the other figures realized the invention.
- the reaction vessel 20 is made from an electrode receptacle 201, which is in the recipient bottom 202 is inserted.
- the reaction space is from the recipient bottom 202 with the electrode holder 201, the recipient wall 203 and the recipient lid 204 and is over the vacuum port 205 can be evacuated.
- the recipient lid 204 has a window insert 206 on one, if necessary relative to the recipient cover 204 rotatable vacuum-tight Subunit 207 of the recipient cover 204 is attached.
- the subunit 207 itself under vacuum is rotatable.
- the window insert 206 is for recording different means of observation or diagnosis for the Reaction space designed manipulated particles.
- the parts of the Reaction vessel 20 are in the usual manner as in a vacuum vessel connected. Furthermore, over lateral Flan units additionally different diagnostic units be introduced.
- Fig. 5 are further the adaptive RF electrode 11 and the grounded Counter electrode 12 (see Fig. 1) shown.
- the counter electrode 12 is annular to an observation port for the observation means (not shown).
- the adaptive electrode 11 has accordingly the usual cylindrical design of vacuum vessels to form one by external recipient internals as undisturbed field course a substantially circular Outline 111.
- the ring electrode 112 is in one piece, continuous electrode area shown and field correction (Flattening) of the electric field of the highly segmented Set up electrode area. It is, however, a substitute also possible, instead of the ring electrode 112 a provide segmented electrode area, but in which the Segments are subjected to identical fields. In the transition area between the electrode subunits and the ring electrode the subunits are changed in height so that the ring (possibly milled from the bottom) can be pushed over the subunits.
- the electrode subunits 113 are in an inner; of the Ring electrode 112 surrounding region of the electrode 11 is provided and each include a plurality of electrode segments.
- the shape, size and number of electrode segments becomes application dependent depending on the spatial requirements of a electric DC or low frequency field (E) between the Electrodes 11, 12 (see Fig. 1) constructed.
- E electric DC or low frequency field
- the adjustable field characteristics is determined by a matrix arrangement a plurality of punctiform electrode segments (hereinafter referred to as dot segments or dot electrodes designated) reached.
- punctiform means Electrode segment or point segment, although each Electrode element indicative of a reaction space finite Surface has, but this much smaller dimensions as the total size of the electrode 11 has.
- Point electrode for example, a characteristic length dimension, by a factor of about 1/500 to 1/100, e.g. 1/300, compared to the outer dimension (diameter) of the electrode 11 is reduced.
- the matrix grid may be application-dependent also be chosen larger.
- Dot-matrix form of the adaptive electrode is a characteristic Length dimension of the point electrode preferably equal to or less than the Debye length of the particles in the plasma (eg around 3 mm).
- An adaptive electrode 11 has, for example, an outer diameter of about 50 cm with a width of the ring electrode 112 of about 5 cm, so that the inner region of the electrode segments 113 has a diameter of about 40 cm.
- the adaptive Electrode subunits 113 may be used in their entirety For example, comprise about 50,000 to 100,000 dot segments.
- a preferred measure of segmentation is a 1.27 mm grid, compatible with available 1/20-inch connector devices is, as explained below with reference to FIG. 7 in more detail becomes. In this case, can be within the ring electrode 112 about 80,000 electrically isolated point segments Arrange.
- FIG. 6 shows not every single point segment, but the electrode subunits (Point segment groups).
- the groupwise summary of dot segments is not a mandatory feature of the invention, but has advantages in the electrode control, as described in detail below with reference to Figures 7 and 8 will be explained.
- This is how the line pattern in the lower part shows of FIG. 6, for example, electrode subunits 113, each 8 x 32 dot segments included.
- This is through the top Part of Fig. 6 illustrates that a partial enlargement (X) from the edge of the electrode subunits 113.
- the invention is not limited to the summary of 8x32 Point segments to an electrode sub-unit limited, but may be other groupings depending on the design and application include (eg 16 x 16 dot segments).
- Electrode subunit 113 having a plurality of dot segments or point electrodes 115, each one below the other are electrically isolated from each other by isolation bridges.
- the electrode subunit 113 includes e.g. 8 x 32 point electrodes 115. From Fig. 6 it is further apparent that the ring electrode 112 and the region of the electrode subunits 113 are mutually exclusive overlap. This is an optimal, dense filling of the inner region of the electrode 11 also at the edge of the ring electrode 112, as in the enlarged part of FIG. 6 is recognizable.
- Both the ring electrode 112 and the electrode subunits 113 consist of a metallic electrode material.
- the material will be application dependent and according to the desired Manufacturing method selected for the electrode. Both below explained etching process can be used as electrode material e.g. Stainless steel, aluminum or copper can be used. to Avoidance of electrical disturbances due to deposits the electrode surface is preferably this with an insulating layer coated, e.g. from the same insulation material how the isolation webs 116 exists.
- the insulation layer For example, a thickness of about 10 microns to 100 ⁇ m, preferably 20 ⁇ m.
- insulation material of the Isolation webs 116 is suitable for any material that in the occurring voltage values sufficient insulation resistance granted between the point electrodes. This insulation material For example, epoxy resin or another is more suitable Plastic.
- Fig. 7 shows the structure of the segmented electrode by way of example an electrode sub-unit 113.
- the electrode subunit 113 again by way of example 8 ⁇ 32 point electrodes 115.
- These form (together with the other, not shown segments of the adaptive electrode) also has an upper electrode area is referred to as a segmented electrode 120.
- the segmented Furthermore, the electrode consists of the insulation plate 122, in which a plurality of sockets are incorporated (not shown), the number and arrangement of each of the Point electrodes 115 of the electrode subunit 113 corresponds.
- the sockets are designed to receive plug units 123, possibly also as an integral base plate can be trained.
- Plug units 123 interpreted as sockets and an electrical Connection with the sockets, which are in the insulation plate are integrated to produce via conductive pins. Between each socket of the insulating plate 122 and the corresponding Point electrode 115 is in electrical contact.
- the structure of the insulation plate 122 depends on the manufacturing method the total electrode 11 and the area the electrode subunits 113. Such a manufacturing method is illustrated below by way of example.
- each point electrode 115 drills through the insulation plate 122 to the later position of the respective point electrode 115 made so that at the end of each punctiform electrode, which adheres to the insulation board with conductive adhesive, an associated socket for receiving a pin from the Plug-in device 123 is created.
- a metallic plate or foil of the selected electrode material with the desired outside diameter or thickness parameters on a plate of insulating material with a thickness according to the desired thickness of the insulation plate 122 glued.
- a material removal takes place from the metallic Electrode foil for forming the point electrodes 115, wherein the corresponding positions of the point electrodes over the holes be arranged in the insulation plate.
- each closed to the adaptive electrode and electrically connected to the respective point electrode 115 are.
- the segmented electrode forms a vacuum-tight closure of the reaction space.
- the connector units 123 including the boards 124) for each 2 ⁇ 32 point electrodes 115, each with one MUX module combined to control 8 x 32 point electrodes.
- the distance between the four corresponding boards 124 becomes determined by the grid dimension and is slightly larger than the height of the attached circuits 127, 128, 129. Again This dimensioning can be changed depending on size and application become.
- the four boards 124 are z. T. conductive Stabilization units 126a connected to each other.
- a Color coding 117 may be provided at the bottom of the Isolation plate 122 for each electrode subunit 113 .
- the boards 124 are such designed so that the illustrated in Fig. 8 electronic Switching elements can be integrated.
- FIG. Fig. 8 shows in the reaction vessel 20 (see Fig. 5) point electrodes 115 as part of the RF electrode (adaptive electrode 11) and the counter electrode 12 (see also, for example Fig. 1).
- the first and last dot electrodes of each of the first and fourth boards 124 are enlarged (matrix positions (1,1), (2, 64), (7,1), (8, 64)). Further, the ring electrode 112 is shown.
- the electronics section 130 includes all boards 124 (see FIG. Fig. 7) associated with the point electrodes 115. exemplary Here is a board 124 for 8 x 32 point electrodes 115 shown.
- the electronics area 130 that of the reaction space represents the opposite rear side of the adaptive electrode 11, is used to avoid excessive pressure the adaptive electrode 11 is subjected to a negative pressure.
- the pressure in the electronics area 130 may, for example, in the range from 10 to 100 mbar.
- Supply circuits 140 and a control device 150 provided.
- the supply circuits 140 include an RF generator 141, a supply voltage circuit 142 for the ring electrode 12, and a control voltage circuit 143rd
- the board 124 has a coupling circuit 131 for each of the dot electrodes 115.
- the coupling circuit 131 is provided to connect each dot electrode (or generally each electrode segment) of the adaptive electrode 11 simultaneously with the output voltage of the HF generator 141 and with a segment-specific output voltage of the control voltage circuit 143 to act on.
- the fact is exploited with particular advantage that the RF supply high-frequency and the location-selective generation of a field distribution in the reaction chamber is low-frequency or with a static electric field.
- each injection circuit 131 includes a capacitor-resistor combination (C1-C256, R1-R256), wherein the RF power is coupled in common across all the capacitors.
- each board On each board is also an addressing circuit 132 provided the above (see Fig. 7) address decoder, Multiplexer and demultiplexer circuits 127, 128, 129, which work together as follows.
- the address decoder circuit 127 selects in response to the switching signals (DEMUX CONTROL and MUX CONTROL) of the control circuit 150 with a switching frequency of 256 kHz, which Voltage value from the control voltage circuit 143 with the Multiplex circuit 128 to a central line 133 and from this with the demultiplexing circuit 129 on one, turn selected by the address decoder circuit 127, Einkoppelnik 131 is switched according to a dot electrode 115.
- the illustrated embodiment provides the control voltage circuit 143 sixty-four control voltage values corresponding to on sixty-four supply lines (see also Fig. 8).
- the control voltage values on the power supply bus 143a differ, for example, with voltage steps of 0.625 V and cover the range of ⁇ 20 V (DC).
- the multiplexing circuit 128 makes a 1: 64 selection to connect one of the sixty-four supply lines 143a with the central line 133.
- the demultiplexing circuit 129 is a 256: 1 selection of the Central line 133 to one of the coupling circuits 131st meets.
- the dot electrodes 115 belonging to a board 124 are preferably serial activated according to a specific sequence pattern.
- the coupling capacitors C1-C256 cyclically to the desired Recharge voltage value.
- the coupling capacitors are designed so that at the application-dependent electrode voltages or losses the charge loss at the respective Einkoppelkondensator and thus the voltage drop at the associated Point electrode during a drive cycle ( ⁇ 1%) with respect to the electrode voltage.
- the switching frequency of the address decoding circuit 127 becomes depending on the number of belonging to a subunit 113 Point electrodes 115, of the frequency of the control voltage changes and of the constant voltage during a Cycle at the point electrodes chosen so that the serial cycle run by the subunit or segment group 113 a much higher frequency than the low frequency voltage of Control voltage change has.
- This fast switching between the voltage stages of the control voltage circuit 143 also allows a location-selective modeling of the field profile in the reaction space 20 according to a Alternating field behavior.
- the entire control electronics 140, 150 of FIG. 8 is potential superimposed on the RF signal and therefore circuit technology low in capacity from the control computer, the network and others Interfaces for cooling etc. decoupled.
- the entry of Control signals via the control device 150 preferably takes place via an optocoupler.
- the above-described adaptive electrode 11 and its associated Control electronics can be modified as follows.
- the Number, shape and arrangement of the electrode segments can be application-dependent to be changed.
- the summary can be in segment groups be changed depending on the application.
- the structure in the reaction vessel can be reversed by placing the grounded electrode 12 on the bottom and the RF electrode 11 (specifically, the adaptive electrode 11) on the upper side.
- the most important advantage of the adaptive electrode 11 is the Creating a programmable spatial stationary or low-frequency electric field course in the reaction space, held in place with the charged particles or can be moved in a certain way. Thereby are the particles to be manipulated can be positioned in any desired manner.
- Fig. 9 shows a schematic side view of parts of a Arrangement according to the invention, in which the plasma crystal 50 between the RF electrode 11 and the substrate 30 with the adjusting device 31 on the one hand and the counter electrode 12 on the other is stepped.
- This plasma crystal form can be, for example, by using an unloading device achieve according to FIG. 2.
- the plasma crystal with UV light becomes a part of the particles (in Fig. 9, the left area) discharged, so that the Equilibrium at unchanged plasma conditions in a low Height above the RF electrode 11 is set.
- a corresponding change in the relative position of the plasma crystal 50 and / or the substrate 30 can be a partial Achieve coating of the substrate 30, as in the lower part of Fig. 4 is illustrated.
- the electric field between the HF electrode 11 and the counter electrode 12 influenced in such a way be that the plasma crystal with only in one area a minimum of potential that spreads over the parts of the RF electrode 11 is located, not by the structural elements 61 are covered. If the structural elements 61 become, for example formed by cover bars, which form a strip-shaped gap let the plasma crystal 60 has a stripe shape (Extension direction perpendicular to the plane of Fig. 10). The plasma crystal 60 can again be inventively deposit on the substrate 30.
- the RF electrode 11 can be with structure or mask any structural elements 61.
- Fig. 11 shows an additional possibility of exercising external Forces on a plasma crystal.
- the schematic plan view to an inventive arrangement shows the RF electrode 11th with the control device 13 and the substrate 30 with the adjusting device 31.
- the RF electrode 11 carries structural elements (not shown) of FIG. 10, so that a strip-shaped Plasma crystal forms.
- the shape of the plasma crystal 70 can be further modified by deflection electrodes 71 are acted upon synchronously with an AC voltage.
- the deflection electrodes 71 are at a lateral deflection of a layered plasma crystal arranged in the layer plane.
- a serpentine Achieve vibration of the particles, as in the lower part of Fig. 11 is sketched. This crystal arrangement can turn be removed on the substrate 30.
- Fig. 12 is a surface coating with elongated Particles shown in particular to achieve anisotropic optical surface properties is set up.
- the elongated particles are, for example, so-called Bucky-Tubes (microscopic, tubular particles consisting from a regular array of carbon atoms).
- the For example, Bucky tubes may be a few microns in length and have a diameter of about 10 to 20 nm. These particles have a relatively large surface, that lead to a heavy charge in the plasma and one Polarization leads.
- the plasma crystal 80 are the Bucky Tubes regularly with their longitudinal extent perpendicular to the planes aligned with the discharge electrodes.
- Fig. 13 which is a plan view of parts of an inventive Arrangement shows is a manipulation of the plasma crystal 90 also by applying a radiation pressure of one outer light source 91 possible.
- the outer control light source For example, by a helium-neon laser with a Power of about 10 mW are formed.
- the one with the laser beam Radiation pressure exerted on the particles allows a precise position control, with an observation device 17 (see Fig. 1) can be monitored.
- Radiation pressure can be a plasma crystal preferably Turn (see arrow), or even on a laterally arranged Move the substrate.
- a device according to the invention without application to operate on a substrate as a display device, in the anisotropic particles for displaying predetermined patterns can be switched between different orientations, for example each one state "blackening” or "transparency” represent. It is also possible to have different sizes To manipulate particles at different heights of a plasma and laterally with excitation light sources of different wavelengths to illuminate, so that color displays high resolution can be built.
- a particular advantage of the invention is that they by an inexpensive modification of conventional plasma reactors (e.g., from circuit fabrication) can, whose operating conditions are well known and controllable are.
- the invention is for the production of so-called designer materials usable with special surface properties.
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Manipulierung von mikroskopischen Teilchen, insbesondere zur Manipulierung von Teilchen in einem plasmakristallinen Zustand.The invention relates to a method and a device for Manipulation of microscopic particles, in particular for Manipulation of particles in a plasma crystalline state.
Es ist bekannt, daß sich mikroskopische feste Teilchen in einem Plasma in einer makroskopisch regelmäßigen Anordnung als sogenannter Plasmakristall ausrichten können. Die Eigenschaften von Plasmakristallen werden beispielsweise von H. Thomas et al. in "Phys. Rev. Lett." Band 73, 1994, Seite 652, ff., oder von H. Thomas & G. E. Morfill in "Nature" Band 379, 1996, Seite 806, ff., beschrieben.It is known that microscopic solid particles in a Plasma in a macroscopically regular arrangement as can align so-called plasma crystal. The properties of plasma crystals are described, for example, by H. Thomas et al. in "Phys. Rev. Lett." Volume 73, 1994, page 652, et seq., or by H. Thomas & G. E. Morfill in "Nature" volume 379, 1996, Page 806, ff., Described.
Eine quantitative Beschreibung von Plasmakristallen auf der Grundlage molekular-dynamischer Simulationen von Yukawa-Systemen und eine Abgrenzung gegenüber "flüssigen" Zuständen wird von S. Hamaguchi et al. in "Physical Review E", Band 56, 1997, S. 4671 ff, beschrieben. Diese Publikation wurde nach dem Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht. Die Abgrenzung zwischen einem plasmakristallinen und einem nicht-plasmakristallinen (z. B. flüssigen) Zustand erfolgt auf der Grundlage eines Phasendiagramms, dessen Abszisse durch einen dimensionslosen Parameter κ als Quotient aus dem ladungsabhängigen Abstand der Partikel und der sogenannten Debye-Länge und dessen Ordinate durch einen Parameter Γ gebildet wird, der dimensionslos die Coulomb-Wechselwirkung der Teilchen beschreibt. Da die Abszissen- und Ordinatenparameter abhängig von den Betriebsparametern des Plasmas sind, können somit Zustandsänderungen der Plasmazustände der Teilchen durch Änderungen der Betriebsparameter erzielt werden.A quantitative description of plasma crystals on the Basis of molecular-dynamic simulations of Yukawa systems and a distinction from "liquid" states is described by S. Hamaguchi et al. in "Physical Review E", Volume 56, 1997, p. 4671 et seq. This publication was after published on the priority date of the present application. The demarcation between a plasma-crystalline and a Non-plasma crystalline (eg liquid) state occurs the basis of a phase diagram, the abscissa by a dimensionless parameter κ as a quotient of the charge-dependent Distance of the particles and the so-called Debye length and whose ordinate is formed by a parameter Γ which dimensionless describes the Coulomb interaction of the particles. Since the abscissa and ordinate parameters are dependent from the operating parameters of the plasma can thus state changes the plasma states of the particles by changes the operating parameters are achieved.
Wichtige Gesichtspunkte der Plasmakristallbildung werden im folgenden unter Bezug auf eine herkömmliche Anordnung zur Ausbildung eines Plasmakristalls gemäß Fig. 14 erläutert.Important aspects of plasma crystal formation are described in The following with reference to a conventional arrangement for training of a plasma crystal according to FIG. 14.
Ein Gas umfaßt im Plasmazustand, der beispielsweise durch eine Glimm- oder Gasentladung erzeugt wird, verschiedenartig geladene Teilchen, wie positiv oder negativ geladene Ionen, Elektronen und Radikale, aber auch neutrale Atome. Befinden sich in dem Plasma mikroskopische Teilchen (Größenordnung µm), zum Beispiel Staubteilchen, so werden diese elektrisch aufgeladen. Die Ladung kann in Abhängigkeit von der Teilchengröße und den Plasmabedingungen (Gasart, Plasmadichte, Temperatur, Druck etc.) einige Hunderttausend Elektronenladungen erreichen. Bei geeigneten Teilchen- und Plasmabedingungen bilden sich zwischen den geladenen Teilchen Coulomb-Kräfte aus, unter deren Wirkung die Teilchen den plasmakristallinen Zustand als zwei- oder dreidimensionale Anordnung einnehmen. Dabei spielt neben den Coulomb-Kräften auch ein Energieentzug von den Teilchen durch Zusammenstöße mit neutralen Atomen im Plasma eine Rolle.A gas comprises in the plasma state, for example, by a Glow or gas discharge is generated, variously charged Particles, such as positively or negatively charged ions, electrons and radicals, but also neutral atoms. Are located in the plasma microscopic particles (order of magnitude μm), for Example dust particles, so they are electrically charged. The charge can vary depending on the particle size and the Plasma conditions (gas type, plasma density, temperature, pressure etc.) reach a few hundred thousand electron charges. at suitable particle and plasma conditions form between the charged particles Coulomb forces under which Effect the particles the plasma crystalline state as two- or take three-dimensional arrangement. It plays alongside The Coulomb forces also an energy deprivation of the particles due to collisions with neutral atoms in the plasma.
Eine Anordnung zur Ausbildung von Plasmakristallen ist beispielhaft
in Fig. 14 gezeigt (siehe auch die oben angegebene
Veröffentlichung in Phys. Rev. Lett.). In einem Reaktor (Gefäßwände
nicht dargestellt) mit einem Trägergas sind zwei ebene
Entladungselektroden übereinander angeordnet. Die untere
kreis- oder scheibenförmige HF-Elektrode 11 wird mit einer
Wechselspannung angesteuert, die obere, ringförmige Gegenelektrode
12 ist z. B. geerdet. Der Elektrodenabstand beträgt rd.
2 cm. Eine Steuerschaltung 13 ist dazu eingerichtet, den HF-Generator
14 mit der HF-Elektrode 11 zu verbinden und die Erdungs-
und Trennschaltung 15 der Gegenelektrode 12 anzusteuern.
Die Hochfrequenzenergie kann beispielsweise mit einer
Frequenz von 13,56 MHz und einer Leistung von rd. 5 W eingekoppelt
werden. Das Trägergas wird durch Edelgase oder reaktive
Gase bei einem Druck von ca. 0.01 - 2 mbar gebildet.
Über einen (nicht dargestellten) Staubdispensor werden Staubteilchen
in den Reaktor eingebracht. Die Staubteilchen ordnen
sich als Plasmakristall in einem Gleichgewichtszustand an, in
dem die auf die Teilchen wirkende Gravitationskraft G mit der
elektrischen Feldkraft E ausgeglichen ist, die durch ein
Gleichspannungsfeld in der Nähe der HF-Elektrode 11 auf die
Staubteilchen in Abhängigkeit von deren Ladung ausgeübt wird.
Handelt es sich um eine monodisperse Staubgrößenverteilung, so
erfolgt die Plasmakristallanordnung entweder als Monoschicht
in einer Ebene, oder als mehrschichtiger Zustand bei Ausbildung
3-dimensionaler Plasmakristalle. Der Plasmakristall ist
unter Beleuchtung bis zu einer Teilchengröße von rund 1 µm mit
dem bloßen Auge erkennbar. Die Sichtbarmachung des Plasmakristalls
wird durch einen seitlich angeordneten Helium-Neon-Laser
16 verbessert, dessen Strahl mit einer Zylinderlinsenkombination
16a auf die Größe der lateralen Kristallausdehnung
mit einer Dicke von rd. 150 µm aufgefächert wird. Die Beobachtung
des Plasmakristalls erfolgt mit einer CCD-Kamera 17, die
mit einer vergrößernden Makrooptik 18 versehen und durch eine
Bildverarbeitung 19 angesteuert wird, die auch mit dem Laser
16 in Verbindung steht.An arrangement for the formation of plasma crystals is exemplary
shown in Fig. 14 (see also the above
Publication in Phys. Rev. Lett.). In a reactor (vessel walls
not shown) with a carrier gas are two plane
Discharge electrodes arranged one above the other. The lower one
circular or disc-
Das Verhalten von mikroskopischen Teilchen in Plasmen ist von hohem theoretischem und praktischem Interesse. Das theoretische Interesse bezieht sich insbesondere auf die Plasmakristalle und deren Zustandsänderungen. Das praktische Interesse leitet sich daraus ab, daß Plasmareaktoren, die bei Beschichtungs- oder Bearbeitungsverfahren (insbesondere in der Halbleitertechnik) eingesetzt werden, einen Elektrodenaufbau gemäß Fig. 14 besitzen.The behavior of microscopic particles in plasmas is of high theoretical and practical interest. The theoretical Interest is particularly related to the plasma crystals and their state changes. The practical interest is derived from the fact that plasma reactors used in coating or processing methods (in particular in semiconductor technology) be used, an electrode assembly according to Fig. 14 have.
Bei bisherigen Anordnungen zur Untersuchung von Plasmakristallen waren die Mittel zur Beeinflussung der Plasmakristalle auf die Art der verwendeten Teilchen und die realisierten Plasmabedingungen beschränkt. Ein Mittel zur gezielten und ortsselektiven Handhabung von Plasmakristallen ist bisher nicht verfügbar, so dass bisher auch keine praktische Verwendung für Plasmakristalle bekannt war.In previous arrangements for the investigation of plasma crystals were the means of influencing the plasma crystals on the type of particles used and the plasma conditions realized limited. A means of targeted and site-selective Handling of plasma crystals is not yet available so far no practical use for Plasma crystals was known.
Aus DE 44 12 902 A1 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Beschichtungsrate und zur Reduzierung der Staubdichte in einem Plasmaentladungsraum und einer Plasmakammer bekannt. In einem Plasmaprozessraum wird entlang der Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks eine vorbestimmte Staubdichte eingestellt. Die Position des Werkstücks im Plasmaprozessraum ist durch eine verschiebbare Halterung veränderlich. DE 44 12 902 A1 discloses a method for increasing the coating rate and to reduce the dust density in one Plasma discharge space and a plasma chamber known. In one Plasma process space is along the surface of a machined Workpiece set a predetermined dust density. The position of the workpiece in the plasma process space is changeable by a sliding bracket.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Manipulierung von Teilchen in Plasmen, insbesondere zur Beeinflussung der Teilchen selbst oder zur Modifizierung einer Substratoberfläche, und eine Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens anzugeben.The object of the invention is a method of manipulation of particles in plasmas, in particular for influencing the particle itself or to modify a substrate surface, and an apparatus for realizing the Specify method.
Diese Aufgabe wird durch Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
1 oder 2 bzw. einer Vorrichtung mit den Merkmalen
gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen
Patentansprüchen.This object is achieved by methods having the features according to claim
1 or 2 or a device with the features
solved according to
Die Erfindung beruht auf den folgenden grundlegenden Erkenntnissen. Die Eigenschaften eines Plasmakristalls, insbesondere die geometrische Form, hängt nicht nur von Eigenschaften des Plasmas bzw. der Teilchen ab. Vielmehr ist es möglich, die Gestalt eines Plasmakristalls, insbesondere die Form der äußeren Umrandung oder die Querschnittsform durch eine ortsselektive Beeinflussung des obengenannten Gleichgewichts zwischen Gravitationskräften und elektrischen Kräften zu modifizieren. Hierzu werden die äußeren Kräfte, die auf die Teilchen einwirken, zum Beispiel durch eine ortsabhängige Veränderung eines statischen, quasistatischen oder niederfrequent veränderlichen elektrischen Feldes zwischen den Elektroden eines Plasmareaktors, durch eine ortsselektive Teilchenentladung oder durch eine ortsselektive Teilchenbestrahlung variiert (Einwirkung von Verstellkräften). Auf diese Weise lassen sich Teilchen im Plasma auf beliebigen gekrümmten Flächen mit beliebigen Umrandungen in einem plasmakristallinen Zustand anordnen. Die Teilchen im Plasma lassen sich somit in vorbestimmter Weise bewegen, wobei diese Bewegung reversibel ist, so daß der plasmakristalline Zustand sogar zwischen verschiedenen Gestalten umstellbar ist.The invention is based on the following basic findings. The properties of a plasma crystal, in particular The geometric shape depends not only on the properties of the Plasma or the particles from. Rather, it is possible the figure a plasma crystal, in particular the shape of the outer Outline or cross-sectional shape through a location-selective Influencing the above balance between gravitational forces and modify electrical forces. For this the external forces acting on the particles for example by a location-dependent change of a static, quasi-static or low-frequency variable electric field between the electrodes of a plasma reactor, by a site-selective particle discharge or by a site-selective particle irradiation varies (action of adjusting forces). In this way, particles in the Plasma on any curved surfaces with any borders arrange in a plasma crystalline state. The particles in the plasma can thus be moved in a predetermined manner, this movement is reversible, so that the plasma-crystalline Condition even between different shapes umstellbar is.
Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, daß durch die ortsselektive Deformierung eines Plasmakristalls verschiedene Teilbereiche des Plasmakristalls verschiedenen Plasmabedingungen ausgesetzt sind. Damit wird insbesondere in einem Plasma zwischen zwei im wesentlichen ebenen Elektroden eine ortsselektive Plasmabehandlung von Teilen des Plasmakristalls (z.B. Beschichtung oder Abtragung) möglich. Einer derartigen ortsselektiven Teilchenbehandlung kann sich eine Auftragung auf einem Substrat anschließen.Another important aspect of the invention is in that by the site-selective deformation of a plasma crystal different subregions of the plasma crystal different Plasma conditions are exposed. This will in particular in a plasma between two substantially planar ones Electrodes are a site selective plasma treatment of parts of the Plasma crystal (e.g., coating or ablation) is possible. Such a site-selective particle treatment may be connect a plot to a substrate.
Ferner besteht ein wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung darin, daß die Ausbildung eines plasmakristallinen Zustands durch die Anwesenheit eines Substrats in einem Plasmareaktor, insbesondere zwischen Reaktorelektroden zur Ausbildung einer Glimm- oder Gasentladung, unbeeinflußt ist. Es ist insbesondere möglich, die oben genannten Umstellvorgänge in unmittelbarer Nähe eines flächigen, ebenen oder gekrümmten Substrats durchzuführen und anschließend den Abstand zwischen den Teilchen im plasmakristallinen Zustand und der Substratoberfläche derart zu verringern, daß mindestens ein vorbestimmter Teil der Teilchen auf die Substratoberfläche aufgetragen werden. Die Abstandsverringerung kann entweder durch Beeinflussung der Feldkräfte, die die Teilchen in Position halten, oder durch Bewegung der Substratoberfläche erfolgen. Somit können Partikel im plasmakristallinen Zustand in beliebig gestalteten Mustern auf Substratoberflächen abgeschieden werden. Damit stellt die Erfindung ein neuartiges ortsselektives, maskenfreies Beschichtungsverfahren bereit, mit dem modifizierte Oberflächen erzeugt werden. Aufgrund der aufgetragenen Teilchen besitzen die modifizierten Oberflächen veränderte elektronische, optische und/oder mechanische Eigenschaften. Es ist aber auch möglich, die ortsselektiv aufgetragenen Teilchen selbst zur Maskierung oder Konditionierung der Substratoberfläche vor einem nachfolgenden weiteren Beschichtungsschritt zu verwenden.Furthermore, there is an important aspect of the invention in that the formation of a plasma crystalline state by the presence of a substrate in a plasma reactor, in particular between reactor electrodes to form a Glow or gas discharge, is unaffected. It is special possible, the above-mentioned switching operations in the immediate Near a flat, flat or curved substrate and then measure the distance between the particles in the plasma crystalline state and the substrate surface reduce so that at least one predetermined part the particles are applied to the substrate surface. The reduction in distance can either by influencing the Field forces that hold the particles in position, or through Movement of the substrate surface done. Thus, particles can in plasma-crystalline state in arbitrarily designed patterns deposited on substrate surfaces. In order to the invention provides a novel site-selective, mask-free Coating process prepared with the modified Surfaces are generated. Due to the applied particles the modified surfaces have altered electronic, optical and / or mechanical properties. It is but also possible, the site-selectively applied particles even for masking or conditioning the substrate surface before a subsequent further coating step to use.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Manipulierung von Teilchen im plasmakristallinen Zustand umfaßt ein Reaktionsgefäß, das Mittel zur Ausbildung eines Plasmas und mindestens ein Substrat enthält. Die Mittel zur Ausbildung des Plasmas werden vorzugsweise durch flächige, im wesentlichen parallele Elektroden gebildet, in deren Zwischenraum das Substrat beweglich ist. Die Elektroden im Reaktionsgefäß können feldformende Strukturen zur ortsselektiven Beeinflussung der Teilchen im plasmakristallinen Zustand aufweisen. Im Reaktionsgefäß können ferner Mittel zur ortsselektiven Teilchenentladung (z.B. UV-Belichtungsmittel mit einer Maskierungseinrichtung), Mittel zur Ausübung eines Strahlungsdruckes auf die Teilchen, Beobachtungsmittel und Steuermittel enthalten sein.An inventive device for manipulating particles in the plasma crystalline state comprises a reaction vessel, the means for forming a plasma and at least one Contains substrate. The means for the formation of the plasma become preferably by flat, substantially parallel electrodes formed, in the space between which the substrate is movable is. The electrodes in the reaction vessel can field-forming Structures for the site - selective influence of the particles in the have plasma crystalline state. In the reaction vessel can and means for site-selective particle discharge (e.g., UV exposure means with a masking device), means for applying a radiation pressure to the particles, observing means and control means.
Ein besonderer Gesichtspunkt der Erfindung ist die Gestaltung der Elektroden zur ortsselektiven Beeinflussung der Teilchen im Reaktionsgefäß. Erfindungsgemäß wird eine Elektrodeneinrichtung (oder: adaptive Elektrode) angegeben, die eine Vielzahl von Elektrodensegmenten aufweist, die simultan mit einer Hochfrequenzspannung und jeweils einzeln mit einer spezifischen Gleichspannung oder Niederfrequenzspannung beaufschlagt sind. Die Hochfrequenzspannung ist dazu eingerichtet, einen Plasmazustand im Reaktionsgefäß zu erzeugen bzw. aufrechtzuerhalten, während die Gleich- bzw. Niederfrequenzspannung dazu eingerichtet ist, im Reaktionsgefäß eine statische oder langsam veränderliche Feldverteilung zu erzeugen, unter deren Wirkung sich die Teilchen im Reaktionsgefäß anordnen oder bewegen. Weitere wichtige Merkmale der adaptiven Elektrode sind die Ausbildung einer aus miniaturisierten Elektrodensegmenten (Punktelektroden) gebildeten Matrixanordnung, die Gestaltung der Matrixanordnung als im wesentlichen ebenes, schichtförmiges Bauteil, dessen Elektrodenseite zum Reaktionsgefäß hinweist und dessen Rückseite eine Steuerelektronik trägt, die Druckentlastung des Bauteils z. B. durch Ausbildung eines Unterdruckes in dem Raum, zu dem die Rückseite der Elektrodeneinrichtung weist, und die Bereitstellung einer Temperiereinrichtung für die Steuerelektronik.A particular aspect of the invention is the design the electrodes for the site-selective influencing of the particles in the reaction vessel. According to the invention, an electrode device (or: adaptive electrode) indicated that a variety of electrode segments simultaneously with a High-frequency voltage and each individually with a specific DC or low frequency voltage applied are. The high frequency voltage is set to a Create or maintain plasma state in the reaction vessel, while the DC or low frequency voltage to do so is set up, in the reaction vessel a static or slow to produce variable field distribution, under the effect of which the particles arrange or move in the reaction vessel. Other important features of the adaptive electrode are the formation of a miniaturized electrode segments (Dot electrodes) formed matrix arrangement, the design the matrix arrangement as a substantially planar, layered Component whose electrode side points to the reaction vessel and the back of which carries control electronics which Pressure relief of the component z. B. by forming a negative pressure in the room to which the back of the electrode device points, and the provision of a tempering device for the control electronics.
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Manipulierung von Teilchen in einem plasmakristallinen Zustand;
- Fig. 2
- eine schematische Draufsicht auf einen Teil der Anordnung gemäß Fig. 1;
- Fig. 3
- eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Plasmakristalls im freien bzw. adsorbierten Zustand zur Illustration der erfindungsgemäßen Beschichtungstechnik;
- Fig. 4
- eine schematische Illustration einer erfindungsgemäßen Elektrodengestaltung zur Manipulierung von Plasmakristallen, und Beispiele einer ortsselektiven Substratbeschichtung;
- Fig. 5
- eine Explosionsdarstellung eines mit einer erfindungsgemäßen adaptiven Elektrode versehenen Reaktionsgefäßes;
- Fig. 6
- eine schematische Draufsicht auf eine adaptive Elektrode gemäß Fig. 5;
- Fig. 7
- eine schematische Perspektivansicht einer Subeinheit der in den Figuren 5 und 6 dargestellten adaptiven Elektrode mit der zugehörigen Schaltelektronik;
- Fig. 8
- eine Blockdarstellung zur Illustration der Steuerelektronik einer erfindungsgemäßen adaptiven Elektrode;
- Fig. 9
- eine schematische Illustration eines weiteren Beispiels einer ortsselektiven Substratbeschichtung;
- Fig. 10
- eine Darstellung zur Illustration eines weiteren Beispiels einer ortsselektiven Substratbeschichtung;
- Fig. 11
- eine schematische Draufsicht auf eine modifizierte Anordnung zur Manipulierung von Plasmakristallen und ein weiteres Beispiel einer ortsselektiven Substratbeschichtung;
- Fig. 12
- eine schematische Illustration einer Substratbeschichtung mit sogenannten Bucky Tubes;
- Fig. 13
- eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Manipulierung von Plasmakristallen; und
- Fig. 14
- eine schematische Perspektivansicht eines herkömmlichen Reaktors zur Bildung von Plasmakristallen (Stand der Technik).
- Fig. 1
- a schematic side view of an inventive arrangement for manipulating particles in a plasma crystalline state;
- Fig. 2
- a schematic plan view of a portion of the arrangement of FIG. 1;
- Fig. 3
- a plan view of a section of a plasma crystal in the free or adsorbed state to illustrate the coating technique of the invention;
- Fig. 4
- a schematic illustration of an electrode design according to the invention for the manipulation of plasma crystals, and examples of a site-selective substrate coating;
- Fig. 5
- an exploded view of a provided with an inventive adaptive electrode reaction vessel;
- Fig. 6
- a schematic plan view of an adaptive electrode of FIG. 5;
- Fig. 7
- a schematic perspective view of a subunit of the adaptive electrode shown in Figures 5 and 6 with the associated switching electronics;
- Fig. 8
- a block diagram illustrating the control electronics of an adaptive electrode according to the invention;
- Fig. 9
- a schematic illustration of another example of a site-selective substrate coating;
- Fig. 10
- a representation for illustrating a further example of a site-selective substrate coating;
- Fig. 11
- a schematic plan view of a modified arrangement for manipulating plasma crystals and another example of a site-selective substrate coating;
- Fig. 12
- a schematic illustration of a substrate coating with so-called Bucky Tubes;
- Fig. 13
- a schematic plan view of another embodiment of an inventive arrangement for the manipulation of plasma crystals; and
- Fig. 14
- a schematic perspective view of a conventional reactor for the formation of plasma crystals (prior art).
Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel einer Plasmaanordnung beschrieben, die als Reaktionsgefäß einen Reaktor umfaßt, dessen Aufbau in Bezug auf die Plasmaerzeugung und die Plasmakristallbeobachtung im wesentlichen dem herkömmlichen Aufbau entspricht, wie er oben unter Bezug auf Fig. 14 beschrieben wurde. Es ist dem Fachmann jedoch verständlich, daß auch anders aufgebaute Reaktoren verwendet werden können, soweit sie zur erfindungsgemäßen Manipulierung von Teilchen im plasmakristallinen Zustand eingerichtet sind.The invention will be described below using the example of a plasma arrangement described, which comprises a reaction vessel as a reactor, its construction in terms of plasma generation and plasma crystal observation essentially the conventional structure corresponds as described above with reference to FIG. 14 has been. However, it is understood by the skilled person that also different constructed reactors can be used as far as they are concerned for the inventive manipulation of particles in the plasma-crystalline Condition are set up.
Die schematische Seitenansicht einer Anordnung zur Manipulierung
von Plasmakristallen gemäß Fig. 1 zeigt eine HF-Elektrode
11, eine geerdete Gegenelektrode 12, eine Steuereinrichtung
13, einen HF-Generator 14, eine Schalteinrichtung 15, eine Beobachtungslichtquelle
16 mit einer Zylinderlinsenanordnung
16a, ein Beobachtungsmittel in Form einer CCD-Kamera 17 mit
einer Vergrößerungsoptik 18 und einer zugehörigen Steuereinrichtung
19. Bei sehr kleinen (< 100 nm) Teilchen wird ein anderes
Beobachtungsmittel erforderlich (z.B. unter Verwendung
der Braggstreuung). Ein Staubdispensor 21 mit einem Reservoir
22, einer Konditionierungseinrichtung 23 und einem Einlaßmittel
24 ist dazu eingerichtet, Teilchen in den Raum zwischen
der HF-Elektrode 11 und der Gegenelektrode 12 einzubringen.
Die Konditionierungseinrichtung 23 kann beispielsweise eine
Vorladungseinrichtung für die Teilchen enthalten.The schematic side view of an arrangement for manipulation
of plasma crystals according to FIG. 1 shows an
Die erfindungsgemäße Anordnung umfaßt ferner ein Substrat 30,
das mit einer Verstelleinrichtung 30 in alle Raumrichtungen
beweglich ist. Figur 1 zeigt nicht die Wandung des Reaktionsgefässes,
die einen geschlossenen Raum für das Trägergas bildet
und vakuumdicht die Elektroden 12, das Substrat 30 und
Teile der Teilchenzuführeinrichtung einschließt. Die Wandung
kann ferner Fenster zur Strahlungsein- bzw. -auskopplung aufweisen.The arrangement according to the invention further comprises a
Figur 2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf Teile der erfindungsgemäßen
Anordnung gemäß Fig. 1, nämlich die HF-Elektrode
11 und das Substrat 30 mit der Verstelleinrichtung 31. Zusätzlich
ist eine in Fig. 1 nicht gezeigte Entladeeinrichtung 24
dargestellt, die zur ortsselektiven Entladung von Teilchen im
plasmakristallinen Zustand eingerichtet ist. Beim dargestellten
Beispiel umfaßt die Entladeeinrichtung 24 eine UV-Lichtquelle
25 und ein Abbildungs- und Maskierungssystem 26,
mit dem Teile des Plasmakristalls bestrahlt und unter Wirkung
der UV-Strahlung entladen werden können.Figure 2 shows schematically a plan view of parts of the invention
Arrangement according to FIG. 1, namely the
Im folgenden wird eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verfahrensweise zur Manipulierung der Teilchen im Plasma unter Bezug auf die Figuren 1 und 2 erläutert.In the following, a first embodiment of the invention Procedure for manipulating the particles in the plasma explained with reference to Figures 1 and 2.
Im (nicht dargestellten) Reaktionsgefäß, insbesondere zwischen den HF- und Gegenelektroden, die als Entladungselektroden wirken, wird in einem Trägergas ein Plasma gezündet. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß an die Art des Trägergases keine besonderen Anforderungen zu stellen sind. Die Plasmabedingungen (Art und Dichte des Gases, HF- Leistung, Frequenz, Druck etc.) können vom Fachmann entsprechend den Bedingungen der Plasmaanordnung und den gewünschten Kristalleigenschaften ausgewählt werden. Das können beispielsweise auch Niederenergie-Argonentladungen oder Silanentladungen unter den Bedingungen, wie sie bei der Plasmaabscheidung in der Halbleitertechnologie benutzt werden. Der Einsatz eines reaktiven Gases wie z.B. Silan ist fü= weitere Behandlungsschritte am Plasmakristall von Vorteil. Die Energie der Ionen im Plasma entspricht im wesentlichen der Gastemperatur. Diese wird durch die Entladungsbedingungen und gegebenenfalls durch eine äußere Kühleinrichtung bestimmt. So kann beispielsweise in einer erfindungsgemäßen Anordnung eine (nicht dargestellte) Stickstoffkühlung vorgesehen sein.In (not shown) reaction vessel, in particular between the RF and counter electrodes, which act as discharge electrodes, a plasma is ignited in a carrier gas. A special Advantage of the invention is that of the type of Carrier gases are no special requirements. The plasma conditions (type and density of the gas, RF power, Frequency, pressure etc.) can be made by the professional according to the conditions the plasma arrangement and the desired crystal properties to be selected. That can, for example, too Low energy argon charges or silane discharges among the Conditions, as in the case of plasma deposition in semiconductor technology to be used. The use of a reactive gas such as. Silane is for further treatment steps on Plasma crystal of advantage. Energy of ions in plasma corresponds essentially to the gas temperature. This is going through the discharge conditions and optionally by an external Cooling determined. Thus, for example, in an inventive Arrangement of a (not shown) nitrogen cooling be provided.
Über den Staubdispensor 21 werden die zu manipulierenden Teilchen
in den Elektrodenraum eingebracht. Die Teilchengröße
liegt im Bereich von 20 nm bis 100 µm. Die Untergrenze der
Teilchengröße wird durch die Druckbedingungen im Reaktionsgefäß
und über die Aufladung festgelegt. Die Teilchen müssen so
schwer sein, daß im plasmafreien Zustand die Teilchen unter
Wirkung der Schwerkraft eine vertikale Bewegung ausführen und
nicht im Schwebezustand verbleiben. Die Obergrenze der Teilchengrößen
wird durch die sogenannte Debye-Länge zwischen den
benachbarten Teilchen festgelegt. Die Debye-Länge steigt proportional
zur Wurzel der Plasmatemperatur bzw. umgekehrt proportional
zur Wurzel der Plasmadichte. Ein weiterer besonderer
Vorteil der Erfindung besteht darin, daß neben den Größenanforderungen
an die zu manipulierenden Teilchen keine weiteren
Einschränkungen in Bezug auf die Form oder das Material der
Teilchen bestehen. Es sind beliebige, z.B. runde, nadelförmige,
rohrförmige oder plättchenförmige Teilchen verwendbar. Die
Teilchen müssen fest sein bzw. eine genügende Formstabilität
unter den Plasmabedingungen besitzen. Es wird vorzugsweise ein
Material verwendet, das im interessierenden Teilchengrößenbereich
besondere elektrische oder optische Eigenschaften besitzt.
Es kann auch ein Material verwendet werden, das eine
Zusammensetzung aus verschiedenen Substanzen, z.B. organischen
Stoffen, ist.About the
Die in das Plasma eingebrachten Teilchen bilden ein Plasmakristall 10 (s. Figuren 1, 2). Der Plasmakristall ist durch eine ebene, flächige, regelmäßige Teilchenanordnung gekennzeichnet. Die Teilchenanordnung kann eine Monoschicht, wie sie unten unter Bezug auf Fig. 3 erläutert wird, eine Mehrfachschicht oder ein dreidimensionales Gebilde sein.The particles introduced into the plasma form a plasma crystal 10 (see Figures 1, 2). The plasma crystal is through a level, area, regular particle arrangement characterized. The particle assembly may be a monolayer, as shown below Referring to Fig. 3 is explained, a multilayer or to be a three-dimensional structure.
Die HF-Elektrode weist eine negative Gleichspannung auf. Bei
einem Durchmesser der Elektroden von rd. 8 bis 10 cm, einem
Elektrodenabstand von rd. 2 cm und einer Vorspannung an der
HF-Elektrode 11 von rd. -15 Volt ordnen sich beispielsweise
Polymerteilchen einer charakteristischen Größe von rd. 7 µm
als flächige Wolke mit einem Abstand von rd. 0,5 cm von der
HF-Elektrode 11 an.The RF electrode has a negative DC voltage. at
a diameter of the electrodes of approx. 8 to 10 cm, one
Electrode distance of approx. 2 cm and a preload on the
Die hier beispielhaft gegebenen Dimensionen ändern sich bei veränderten Elektrodenparametern (Elektrodendurchmesser, Elektrodenabstand, Spannungswerte) entsprechend. Der Elektrodendurchmesser kann beispielsweise im Bereich von wenigen Zentimetern bis 60 cm und der Elektrodenabstand kann im Bereich von 1 cm bis 10 cm liegen. Es werden vorzugsweise solche Elektrodenparameter ausgewählt, die mit verfügbaren und CVD-Reaktoren kompatibel sind.The dimensions given here by way of example change changed electrode parameters (electrode diameter, electrode distance, Voltage values) accordingly. The electrode diameter can be in the range of a few centimeters, for example up to 60 cm and the electrode distance can be in the range of 1 cm to 10 cm. There are preferably such electrode parameters selected with available and CVD reactors are compatible.
Das Substrat 30 ist zwischen der HF-Elektrode 11 und dem Plasmakristall
10 angeordnet. Auch in Bezug auf das Substratmaterial
und die Substratform bestehen vorteilhafterweise keine
Beschränkungen. Es kann insbesondere sowohl ein leitfähiges
als auch ein nicht-leitfähiges Substrat verwendet werden, ohne
daß die Bedingungen für die Plasmakristallbildung sich verändern.The
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Manipulierung von
Teilchen erfolgt zunächst eine Einstellung der Teilchen in einer
Behandlungsposition. Diese Behandlungsposition kann dem
Gleichgewichtszustand bei Bildung des Plasmakristalls nach
Einführung der Teilchen in den Reaktor entsprechen. Es ist
aber auch möglich, den Plasmakristall 10 zu bewegen, insbesondere
die Relativposition in Bezug auf die Elektroden oder das
Substrat zu ändern. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Änderung
der Plasmabedingungen. So kann durch eine Änderung der
Trägergasdichte eine Änderung der Teilchenladung und somit eine
Änderung des Gleichgewichtszustands zwischen Gravitationskraft
und elektrischer Kraft erzielt werden. Entsprechendes
gilt bei Änderung der negativen Vorspannung der HF-Elektrode
oder bei einer äußeren Entladung der Teilchen. In der Behandlungsposition
wird in einem nächsten Schritt mindestens ein
Teil der Teilchen einer Plasmabehandlung oder einer Auftragung
auf das Substrat unterzogen.In a method according to the invention for the manipulation of
Particles is first an adjustment of the particles in one
Treatment position. This treatment position can the
Equilibrium state upon formation of the plasma crystal after
Introduce the particles into the reactor. It is
but also possible to move the
Die Plasmabehandlung kann beispielsweise eine Teilchenoberflächen-Beschichtung oder -Abtragung umfassen. Im letzteren Fall kann beispielsweise ein schrittweises Absenken des Plasmakristalls zu einer geringeren Höhe über der HF-Elektrode dazu führen, daß die untersten Schichten des Plasmakristalls einem selektiven Plasmaätzprozeß unterzogen werden. Zur Teilchenbeschichtung kann ggf. ein Plasmawechsel bei laufendem Reaktorbetrieb vorgesehen sein.The plasma treatment may, for example, be a particle surface coating or removal. In the latter Case, for example, a gradual lowering of the plasma crystal to a lesser height above the RF electrode lead that the lowest layers of the plasma crystal one be subjected to selective plasma etching process. For particle coating If necessary, a plasma change can be made while the reactor is in operation be provided.
Zur Auftragung auf dem Substrat 30 kann jede geeignete Änderung
des Abstands zwischen dem Plasmakristall und der Substratoberfläche
verwendet werden. Gemäß einer ersten Alternative
wird der Plasmakristall durch Änderung der Plasmabedingungen
auf das Substrat gesenkt. Gemäß einer zweiten Alternative wird
Substrat mit der Verstelleinrichtung 31 zum Plasmakristall
angehoben. Gemäß einer dritten, bevorzugten Alternative wird
die Entladung zwischen den Elektroden abgeschaltet, so daß das
Plasma erlischt und die Teilchen auf das Substrat fallen. Beim
Kontakt zwischen den Teilchen und dem Substrat führen molekulare
Anziehungskräfte zur Adsorption der Teilchen an der Substratoberfläche.
Im weiteren Verfahren kann die Teilchenadsorption
durch eine Überschichtung noch verstärkt werden.For application to the
Figur 3 zeigt beispielhaft das Ergebnis einer besonders einfachen
Teilchenaufbringung auf die Substratoberfläche entsprechend
der oben genannten dritten Alternative. Es ist eine
plasmakristalline Monoschicht, wie sie mit der Bildaufnahmevorrichtung
17 beobachtet werden kann, in einem freihängenden
Zustand im Plasma (Gebilde mit ungefüllter Umrandung) und im
adsorbierten Zustand (Gebilde mit gefüllter Umrandung) auf einem
Substrat nach Erlöschen des Plasmas gezeigt. Die Teilchendimensionen
betragen rd. 5 bis 10 µm bei Abständen von rd.
200 bzw. 300 µm. Die Erfinder haben erstmalig festgestellt,
daß bei dieser besonders einfachen Aufbringung der Teilchen
auf das Substrat die regelmäßige Anordnung nahezu vollständig
erhalten bleibt, wie dies die minimalen Abweichungen zwischen
der Teilchenposition im schwebenden bzw. adsorbierten Zustand
ieigen. Aufgrund dieser Eigenschaft ist es möglich, mikroskopische
Teilchen mit hoher Genauigkeit auf einer Substratoberfläche
zu plazieren.FIG. 3 shows the result of a particularly simple example
Particle application to the substrate surface accordingly
the third alternative mentioned above. It is one
Plasma-crystalline monolayer, as with the
Fig. 4 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Ausschnitts
einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Teilchenmanipulierung.
Zwischen der HF-Elektrode 11 und dem Substrat 30 mit der Verstelleinrichtung
31 einerseits und der geerdeten Gegenelektrode
12 sind Teilchen im plasmakristallinen Zustand angeordnet.
Der Plasmakristall 40 ist mit einer mehrfach gewölbten Querschnittsform
ausgebildet, die im wesentlichen dem Verlauf des
statischen elektrischen Feldes im Raum zwischen den Elektroden
entspricht. Das Feld zwischen den Elektroden wird durch eine
Elektrodenstrukturierung 41 ortsselektiv verformt. Beim dargestellten
Beispiel wird die Elektrodenstrukturierung durch Zusatzelektroden
41 (Nadel-Elektroden) gebildet, die mit einer
positiven Spannung beaufschlagt und isoliert durch die Gegenelektrode
12 durchgeführt sind. Der Plasmakristall folgt der
ortsselektiven Deformierung des elektrischen Feldes, so daß
die mehrfach gewölbte Kristallgestalt gebildet wird. Die Zusatzelektroden
41 können reihenweise oder flächig angeordnet
sein. Statt einem positiven Potential können die Zusatzelektroden
41 auch mit einem negativen Potential beaufschlagt
sein.Fig. 4 shows a schematic side view of a detail
an inventive arrangement for particle manipulation.
Between the
Im unteren Teil von Fig. 4 sind zwei Beispiele einer ortsselektiven
Substratbeschichtung mit einem erfindungsgemäß manipulierten
Plasmakristall schematisch gezeigt. Erfolgt eine
Formation des Plasmakristalls derart, daß die Kristallquerschnittsform
nach oben weisende Auswölbungen zeigt, so führt
eine Annäherung des Plasmakristalls an das Substrat 30 gemäß
der oben genannten ersten oder zweiten Alternative zu einem
Beschichtungsmuster entsprechend dem unteren, linken Teil von
Fig. 4. Wird umgekehrt eine nach unten weisende Auswölbung
(durch negative Potentiale der Zusatzelektroden 41) eingestellt,
so führt die gegenseitige Annäherung zu einer inselförmigen
Beschichtung gemäß dem unteren, rechten Teil von
Fig. 4.In the lower part of Fig. 4 are two examples of a location-selective
Substrate coating with a manipulated according to the invention
Plasma crystal shown schematically. Done one
Formation of the plasma crystal such that the crystal cross-sectional shape
pointing upwards bulges, so leads
an approximation of the plasma crystal to the
Durch eine geeignete Formung der Elektrodenstrukturierung oder
der Zusatzelektroden lassen sich beliebige Beschichtungsmuster
z.B. in Form von Kreisen, Ringen, Bögen, Streifen oder dgl.
auf der Substratoberfläche ausbilden. Zusätzliche Modifizierungen
sind möglich, wenn die Zusatzelektroden gemäß Fig. 4
beweglich angeordnet sind, so daß die Manipulierung des Plasmakristalls
40 im Zeitverlauf variiert werden kann. Dementsprechend
lassen sich verschiedene Beschichtungsmuster aufeinanderfolgend
auf dem Substrat 30 auftragen.By a suitable shaping of the electrode structuring or
The additional electrodes can be any coating pattern
e.g. in the form of circles, rings, bows, stripes or the like.
form on the substrate surface. Additional modifications
are possible if the additional electrodes according to FIG. 4
are movably arranged, so that the manipulation of the plasma crystal
40 can be varied over time. Accordingly
Different coating patterns can be consecutive
on the
Eine alternative Gestaltung zur ortsselektiven Verformung des Feldes zwischen den Elektroden wird im folgenden unter Bezug auf die Figuren 5 bis 8 erläutert.An alternative design for the location-selective deformation of Field between the electrodes will be referred to below explained on the figures 5 to 8.
Fig. 5 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Reaktionsgefäßes
20, das zur Realisierung der Erfindung eingerichtet ist. Das
Reaktionsgefäß 20 ist nicht nur an die im folgenden erläuterte
adaptive Elektrode angepaßt, sondern kann auch in Verbindung
mit den in den anderen Figuren dargestellten Ausführungsformen
der Erfindung realisiert werden. Das Reaktionsgefäß 20 besteht
aus einer Elektrodenaufnahme 201, die in den Rezipientenboden
202 eingelassen ist. Der Reaktionsraum wird vom Rezipientenboden
202 mit der Elektrodenaufnahme 201, der Rezipientenwand
203 und dem Rezipientendeckel 204 eingeschlossen und ist über
den Vakuumanschluß 205 evakuierbar. Der Rezipientendeckel 204
besitzt einen Fenstereinsatz 206, der auf einer gegebenenfalls
gegenüber dem Rezipientendeckel 204 vakuumdicht verdrehbaren
Subeinheit 207 des Rezipientendeckels 204 angebracht ist. Es
kann vorgesehen sein, daß die Subeinheit 207 selbst unter Vakuum
verdrehbar ist. Der Fenstereinsatz 206 ist zur Aufnahme
unterschiedlicher Beobachtungs- oder Diagnosemittel für die im
Reaktionsraum manipulierten Teilchen ausgelegt. Die Teile des
Reaktionsgefäßes 20 sind in üblicher Weise wie bei einem Vakuumgefäß
verbunden. Des weiteren können über seitliche Flanscheinheiten
zusätzlich unterschiedliche Diagnostikeinheiten
eingebracht werden.Fig. 5 shows an exploded view of a
In Fig. 5 sind ferner die adaptive HF-Elektrode 11 und die geerdete
Gegenelektrode 12 (vgl. Fig. 1) gezeigt. Die Gegenelektrode
12 ist ringförmig ausgebildet, um eine Beobachtungsöffnung
für das Beobachtungsmittel (nicht dargestellt) zu bilden.In Fig. 5 are further the
Eine vergrößerte Draufsicht auf die adaptive Elektrode 11 ist
in Fig. 6 dargestellt. Die adaptive Elektrode 11 besitzt entsprechend
der üblichen zylinderförmigen Gestaltung von Vakuumgefäßen
zur Bildung eines durch äußere Rezipienteneinbauten
möglichst ungestörten Feldverlaufs eine im wesentlichen kreisrunde
Umrandung 111. Innerhalb der Umrandung befinden sich eine
Ringelektrode 112 und eine Vielzahl Elektrodensegmenten,
die beim dargestellten Beispiel in Elektrodensubeinheiten 113
zusammengefaßt sind. Die Ringelektrode 112 ist als einstückiger,
durchgehender Elektrodenbereich dargestellt und zur Feldkorrektur
(Abflachung) des elektrischen Feldes des hochsegmentierten
Elektrodenbereiches eingerichtet. Es ist jedoch ersatzweise
auch möglich, anstelle der Ringelektrode 112 einen
segmentierten Elektrodenbereich vorzusehen, in dem jedoch die
Segmente mit identischen Feldern beaufschlagt werden. Im Übergangsbereich
zwischen den Elektrodensubeinheiten und der Ringelektrode
werden die Subeinheiten derart in der Höhe verändert,
daß der Ring (eventuell von der Unterseite ausgefräst)
über die Subeinheiten geschoben werden kann.An enlarged plan view of the
Die Elektrodensubeinheiten 113 sind in einem inneren; von der
Ringelektrode 112 umgebenen Bereich der Elektrode 11 vorgesehen
und umfassen jeweils eine Vielzahl von Elektrodensegmenten.
Die Form, Größe und Zahl der Elektrodensegmenten wird anwendungsabhängig
je nach den räumlichen Anforderungen an ein
elektrisches Gleich- oder Niederfrequenzfeld (E) zwischen den
Elektroden 11, 12 (vgl. Fig. 1) konstruiert. Die größte Variabilität
der einstellbaren Feldverläufe wird durch eine Matrixanordnung
einer Vielzahl von punktförmigen Elektrodensegmenten
(im folgenden als Punktsegmente oder Punktelektroden
bezeichnet) erreicht. Hierbei bedeutet die Bezeichnung punktförmiges
Elektrodensegment bzw. Punktsegment, daß zwar jedes
Elektrodenelement eine zum Reaktionsraum hinweisende endliche
Fläche besitzt, diese jedoch wesentlich kleinere Dimensionen
als die Gesamtgröße der Elektrode 11 besitzt. So besitzt jede
Punktelektrode beispielsweise eine charakteristische Längen-Dimension,
die um einen Faktor von rund 1/500 bis 1/100, z.B.
1/300, gegenüber der Außendimension (Durchmesser) der Elektrode
11 verkleinert ist. Das Matrixraster kann jedoch anwendungsabhängig
auch größer gewählt werden. Bei der hier dargestellten
Punktrasterform der adaptiven Elektrode ist eine charakteristische
Längen-Dimension der Punktelektrode vorzugsweise
gleich oder kleiner der Debye-Länge der Teilchen im Plasma
(z. B. rund 3 mm).The
Eine adaptive Elektrode 11 besitzt beispielsweise einen Außendurchmesser
von rund 50 cm mit einer Breite der Ringelektrode
112 von rund 5 cm, so daß der innere Bereich der Elektrodensegmente
113 einen Durchmesser von rund 40 cm besitzt. Die adaptiven
Elektrodensubeinheiten 113 können in ihrer Gesamtheit
beispielsweise rund 50.000 bis 100.000 Punktsegmente umfassen.
Ein bevorzugtes Maß der Segmentierung ist ein 1.27-mm-Raster,
das mit verfügbaren 1/20-Zoll-Steckereinrichtungen kompatibel
ist, wie dies unten unter Bezug auf Fig. 7 näher erläutert
wird. In diesem Fall lassen sich innerhalb der Ringelektrode
112 rund 80.000 voneinander elektrisch isolierte Punktsegmente
anordnen. An
Aus Übersichtlichkeitsgründen zeigt der untere Teil von Fig. 6
nicht jedes einzelne Punktsegment, sondern die Elektrodensubeinheiten
(Punktsegmentgruppen). Die gruppenweise Zusammenfassung
von Punktsegmenten ist kein zwingendes Merkmal der Erfindung,
besitzt jedoch Vorteile bei der Elektrodenansteuerung,
wie dies unten im einzelnen unter Bezug auf die Figuren 7 und
8 erläutert wird. So zeigt das Linienmuster im unteren Teil
von Fig. 6 beispielsweise Elektrodensubeinheiten 113, die jeweils
8 · 32 Punktsegmente enthalten. Dies wird durch den oberen
Teil von Fig. 6 verdeutlicht, der eine Ausschnittsvergrößerung
(X) vom Rand der Elektrodensubeinheiten 113 darstellt.
Die Erfindung ist nicht auf die Zusammenfassung von 8 · 32
Punktsegmenten zu einer Elektrodensubeinheit beschränkt, sondern
kann konstruktions- und anwendungsabhängig andere Gruppierungen
umfassen (z. B. 16 · 16 Punktsegmente).For reasons of clarity, the lower part of FIG. 6 shows
not every single point segment, but the electrode subunits
(Point segment groups). The groupwise summary
of dot segments is not a mandatory feature of the invention,
but has advantages in the electrode control,
as described in detail below with reference to Figures 7 and
8 will be explained. This is how the line pattern in the lower part shows
of FIG. 6, for example,
Der obere Teil von Fig. 6 zeigt beispielhaft hervorgehoben eine
Elektrodensubeinheit 113 mit einer Vielzahl von Punktsegmenten
oder Punktelektroden 115, die jeweils untereinander
durch Isolationsstege voneinander elektrisch getrennt sind.
Die Punktelektroden 115 besitzen zum Reaktionsraum weisende,
quadratische Stirnflächen der Breite a = 1.25 mm. Die Isolationsstege
116 besitzen eine Breite b = 0.02 mm, so daß sich
insgesamt das oben genannte 1.27 mm-Raster ergibt. Die Elektrodensubeinheit
113 umfaßt z.B. 8 · 32 Punktelektroden 115.
Aus Fig. 6 ist ferner ersichtlich, daß sich die Ringelektrode
112 und der Bereich der Elektrodensubeinheiten 113 gegenseitig
überlappen. Damit wird eine optimale, dichte Ausfüllung des
inneren Bereiches der Elektrode 11 auch am Rand der Ringelektrode
112 erzielt, wie dies im vergrößerten Teil von Fig. 6
erkennbar ist.The upper part of Fig. 6 shows an example highlighted
Sowohl die Ringelektrode 112 als auch die Elektrodensubeinheiten
113 bestehen aus einem metallischen Elektrodenwerkstoff. Both the
Das Material wird anwendungsabhängig und je nach dem gewünschten
Herstellungsverfahren für die Elektrode gewählt. Bei den
unten erläuterten Ätzverfahren kann als Elektrodenwerkstoff
z.B. Edelstahl, Aluminium oder Kupfer verwendet werden. Zur
Vermeidung von elektrischen Störungen durch Abscheidungen auf
der Elektrodenfläche wird diese vorzugsweise mit einer Isolationsschicht
überzogen, die z.B. aus demselben Isolationsmaterial
wie die Isolationsstege 116 besteht. Die Isolationsschicht
kann beispielsweise eine Dicke von rund 10 µm bis 100
µm, vorzugsweise 20 µm, besitzen. Als Isolationsmaterial der
Isolationsstege 116 ist jedes Material geeignet, das bei den
auftretenden Spannungswerten eine genügende Isolationsfestigkeit
zwischen den Punktelektroden gewährt. Dieses Isolationsmaterial
ist beispielsweise Epoxydharz oder ein anderer geeigneter
Kunststoff.The material will be application dependent and according to the desired
Manufacturing method selected for the electrode. Both
below explained etching process can be used as electrode material
e.g. Stainless steel, aluminum or copper can be used. to
Avoidance of electrical disturbances due to deposits
the electrode surface is preferably this with an insulating layer
coated, e.g. from the same insulation material
how the
Fig. 7 zeigt den Aufbau der segmentierten Elektrode am Beispiel
einer Elektrodensubeinheit 113. Entsprechend dem oben
erläuterten Beispiel umfaßt die Elektrodensubeinheit 113 wiederum
beispielhaft 8 · 32 Punktelektroden 115. Diese bilden
(gemeinsam mit den übrigen , nicht dargestellten Segmenten der
adaptiven Elektrode) einen oberen Elektrodenbereich, der auch
als segmentierte Elektrode 120 bezeichnet wird. Die segmentierte
Elektrode besteht des weiteren aus der Isolationsplatte
122, in die eine Vielzahl von Buchsen eingearbeitet sind
(nicht dargestellt), deren Zahl und Anordnung jeweils den
Punktelektroden 115 der Elektrodensubeinheit 113 entspricht.
Die Buchsen sind zur Aufnahme von Steckereinheiten 123 eingerichtet,
die gegebenenfalls auch als integrale Basisplatte
ausgebildet sein können. Es besteht auch die Möglichkeit, die
Steckereinheiten 123 als Buchsen auszulegen und eine elektrische
Verbindung mit den Buchsen, welche in die Isolationsplatte
integriert sind, über leitfähige Stifte herzustellen. Zwischen
jeder Buchse der Isolationsplatte 122 und der entsprechenden
Punktelektrode 115 besteht ein elektrischer Kontakt. Fig. 7 shows the structure of the segmented electrode by way of example
an
Der Aufbau der Isolationsplatte 122 ist abhängig vom Herstellungsverfahren
der Gesamtelektrode 11 beziehungsweise des Bereiches
der Elektrodensubeinheiten 113. Ein derartiges Herstellungsverfahren
wird im folgenden beispielhaft illustriert.The structure of the
Zunächst wird von der Unterseite der Isolationsplatte 122, für
jede Punktelektrode 115 eine Bohrung durch die Isolationsplatte
122 bis zur späteren Position der jeweiligen Punktelektrode
115 vorgenommen, so daß am Ende jeder punktförmigen Elektrode,
welche mit leitfähigem Klebstoff an der Isolationsplatte haftet,
eine zugehörige Buchse zur Aufnahme eines Stifts von der
Steckeinrichtung 123 geschaffen wird. Anschließend wird eine
metallische Platte oder Folie aus dem gewählten Elektrodenmaterial
mit den gewünschten Außendurchmesser- bzw. Dickenparametern
auf eine Platte aus Isolationsmaterial mit einer Dicke
entsprechend der gewünschten Dicke der Isolationsplatte 122
geklebt. Dann erfolgt ein Materialabtrag aus der metallischen
Elektrodenfolie zur Bildung der Punktelektroden 115, wobei die
entsprechenden Positionen der Punktelektroden über den Löchern
in der Isolationsplatte angeordnet werden. Zum Materialabtrag
werden kanalförmige Freiräume entsprechend dem Muster der Isolationsstege
116 (vgl. Fig. 6) ausgebildet. Dieser Materialabtrag
erfolgt beispielsweise durch einen maskierten Ätzvorgang,
bei dem die metallische Folie außer an den gewünschten Positionen
der Punktelektrcden durchgehend bis zur Isolationsplatte
abgetragen wird. Anschließend werden die Kanäle zur Bildung
der Isolationsstege 116 mit einem Isolationsmaterial gefüllt.
Dies erfolgt beispielsweise durch Ausgießen mit einem aushärtbaren
Harz.First, from the bottom of the
Bei alternativen Verfahrensweisen werden mit entsprechenden
Strukturierungsverfahren Buchsen in der Isolationsplatte 122
ausgebildet, die jeweils zur adaptiven Elektrode hin geschlossen
und elektrisch mit der jeweiligen Punktelektrode 115 verbunden
sind. In jedem Fall bildet die segmentierte Elektrode
einen vakuumdichten Abschluß des Reaktionsraumes.In alternative procedures are with appropriate
Patterning Method Jacks in
An der von der segmentierten Elektrode abgewandten Seite der
Steckereinheiten 123 sind Platinen 124 angebracht, die Verbindungsstecker
126 zur externen Elektronik und Adress-Decoder-,
Multiplex- und Demultiplex-Schaltkreise 127, 128, 129 tragen,
deren Funktionen im einzelnen unten unter Bezug auf Fig. 8 erläutert
wird. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung
sind vier Steckereinheiten 123 (inklusive der Platinen
124) für jeweils 2 · 32 Punktelektroden 115 zu je einem MUX-Modul
zur Ansteuerung von 8 · 32 Punktelektroden zusammengefaßt.
Der Abstand der vier entsprechenden Platinen 124 wird
durch das Rastermaß bestimmt und ist geringfügig größer als
die Höhe der aufgesetzten Schaltkreise 127, 128, 129. Wiederum
kann diese Dimensionierung größen- und anwendungsabhängig verändert
werden. Die vier Platinen 124 sind durch z. T. leitfähige
Stabilisationseinheiten 126a miteinander verbunden.At the side facing away from the segmented electrode of the
Zur vereinfachten Handhabung (Bestückung der segmentierten
Elektrode mit Steckereinheiten) können an der Unterseite der
Isolationsplatte 122 für jede Elektrodensubeinheit 113 eine
Farbcodierung 117 vorgesehen sein. Die Platinen 124 sind derart
ausgelegt, daß die in Fig. 8 illustrierten elektronischen
Schaltelemente integriert werden können.For simplified handling (equipping the segmented
Electrode with plug units) can be found at the bottom of the
Im folgenden wird die elektrische Steuerung der erfindungsgemäßen
adaptiven Elektrode 11 unter Bezug auf das Blockschaltbild
gemäß Fig. 8 erläutert. Fig. 8 zeigt im Reaktionsgefäß 20
(s. Fig. 5) Punktelektroden 115 als Teil der HF-Elektrode (adaptive
Elektrode 11) und die Gegenelektrode 12 (s. auch z.B.
Fig. 1). Von den (insgesamt 256) Punktelektroden 115 einer
Elektrodensubeinheit 113 sind vergrößert die erste und letzte
Punktelektrode jeweils der ersten und vierten Platine 124 (Matrixpositionen
(1,1), (2, 64), (7,1), (8, 64) dargestellt.
Ferner ist die Ringelektrode 112 dargestellt. In the following, the electrical control of the
Fig. 1). Of the (total 256)
Der Elektronikbereich 130 umfaßt sämtliche Platinen 124 (s.
Fig. 7), die den Punktelektroden 115 zugeordnet sind. Beispielhaft
ist hier eine Platine 124 für 8 · 32 Punktelektroden
115 dargestellt. Der Elektronikbereich 130, der die vom Reaktionsraum
abgewandte Rückseite der adaptiven Elektrode 11 darstellt,
wird zur Vermeidung einer übermäßigen Druckbelastung
der adaptiven Elektrode 11 mit einem Unterdruck beaufschlagt.
Der Druck im Elektronikbereich 130 kann beispielsweise im Bereich
von 10 bis 100 mbar liegen. Alternativ kann der Elektronikbereich
zur Druckentlastung der adaptiven Elektrode auch
mit einer isolierenden Flüssigkeit, wie z. B. einem Öl, ausgegossen
sein, die auch eine Kühlfunktion übernehmen kann. Vom
Elektronikbereich 130 getrennt sind unter atmosphärischen Bedingungen
Versorgungsschaltungen 140 und eine Steuereinrichtung
150 vorgesehen. Die Versorgungsschaltungen 140 umfassen
einen HF-Generator 141, eine Versorgungsspannungschaltung 142
für die Ringelektrode 12, und eine Steuerspannungschaltung
143.The electronics section 130 includes all boards 124 (see FIG.
Fig. 7) associated with the
Die Platine 124 besitzt für jede der Punktelektroden 115 jeweils
eine Einkoppelschaltung 131. Die Einkoppelschaltung 131
ist dazu vorgesehen, jede Punktelektrode (bzw. allgemein jedes
Elektrodensegment) der adaptiven Elektrode 11 gleichzeitig mit
der Ausgangsspannung des HF-Generators 141 und mit einer segmentspezifischen
Ausgangsspannung der Steuerspannungsschaltung
143 zu beaufschlagen. Hierbei wird erfindungsgemäß mit besonderem
Vorteil die Tatsache ausgenutzt, daß die HF-Versorgung
hochfrequent und die ortsselektive Erzeugung einer Feldverteilung
im Reaktionsraum niederfrequent bzw. mit einem statischen
elektrischen Feld erfolgt. So sind die Ausgangsparameter des
HF-Generators 141 beispielsweise eine Ausgangsfrequenz im MHz-Bereich
(entsprechend den üblichen Frequenzen zur Erzeugung
und Aufrechterhaltung von Plasmen, z.B. 12 bis 15 MHz) und ein
Spannungsbereich von ± 150 VSS (sinusförmig). Hingegen erfolgt
die Beaufschlagung der Punktelektroden 115 mit Steuerspannungen
niederfrequent (≤ 100 Hz) oder statisch (Gleichspannung,
DC). Dementsprechend enthält jede Einkoppelschaltung 131 eine
Kondensator-Widerstand-Kombination (C1-C256, R1-R256), wobei
die HF-Leistung über alle Kondensatoren gemeinsam eingekoppelt
wird.The
Auf jeder Platine ist ferner eine Adressierungsschaltung 132
vorgesehen, die die oben genannten (s. Fig. 7) Adress-Decoder,
Multiplexer- und Demultiplexer-Schaltkreise 127, 128, 129 umfaßt,
die wie folgt zusammenwirken.On each board is also an addressing
Der Adress-Decodier-Schaltkreis 127 wählt in Abhängigkeit von
den Schaltsignalen (DEMUX CONTROL und MUX CONTROL) der Steuerschaltung
150 mit einer Schaltfrequenz von 256 kHz aus, welcher
Spannungswert von der Steuerspannungschaltung 143 mit dem
Multiplex-Schaltkreis 128 auf eine Zentralleitung 133 und von
dieser mit dem Demultiplex-Schaltkreis 129 auf einen, wiederum
vom Adress-Decodier-Schaltkreis 127 ausgewählten, Einkoppelkreis
131 gemäß einer Punktelektrode 115 geschaltet wird. Bei
der dargestellten Ausführungsform liefert die Steuerspannungschaltung
143 vierundsechzig Steuerspannungswerte entsprechend
auf vierundsechzig Versorgungsleitungen (vgl. auch Fig. 8).
Die Steuerspannungswerte auf dem Spannungsversorgungsbus 143a
unterscheiden sich beispielsweise mit Spannungsschritten von
0.625 V und überdecken den Bereich von ± 20 V (Gleichspannung).
Dementsprechend trifft der Multiplex-Schaltkreis 128 eine
1:64-Auswahl zur Verbindung einer der vierundsechzig Versorgungsleitungen
143a mit der Zentralleitung 133. Bei der dargestellten
Ausführungsform sind ferner 256 Einkoppelschaltkreise
131 entsprechend den 256 Punktelektroden 115 vorgesehen, so
daß der Demultiplex-Schaltkreis 129 eine 256:1-Auswahl von der
Zentralleitung 133 auf einen der Einkoppelschaltkreise 131
trifft. The
Die zu einer Platine 124 gehörigen Punktelektroden 115 (entsprechend
einer Elektrodensubeinheit) werden vorzugsweise seriell
entsprechend einem bestimmten Ablaufmuster angesteuert.
Dabei wird mit besonderem Vorteil eine Doppelfunktion der Einkoppelkondensatoren
C1-C256 genutzt. Diese dienen nämlich
nicht nur der Einkoppelung der HF-Leistung, sondern auch der
Aufrechterhaltung des Elektrodenpotentials an den einzelnen
Punktelektroden, solange entsprechend dem seriellen Ansteuerablauf
keine Verbindung mit der Steuerspannungsschaltung 143
besteht. Da von jeder Punktelektrode 115 laufend durch Stromverluste
über das Plasma ein Leistungsverlust entsteht, sind
die Einkoppelkondensatoren C1-C256 zyklisch auf den gewünschten
Spannungswert nachzuladen. Die Einkoppelkondensatoren sind
so ausgelegt, daß bei den anwendungsabhängigen Elektrodenspannungen
bzw. Verlustleistungen der Ladungsverlust am jeweiligen
Einkoppelkondensator und somit der Spannungsabfall an der zugehörigen
Punktelektrode während eines Ansteuerzyklus (≤ 1 %)
in Bezug auf die Elektrodenspannung ist.The
Die Schaltfrequenz des Adress-Decodier-Schaltkreises 127 wird
in Abhängigkeit von der Zahl der zu einer Subeinheit 113 gehörigen
Punktelektroden 115, von der Frequenz der Steuerspannungsänderungen
und von der Spannungskonstanz während eines
Zyklus an den Punktelektroden so gewählt, daß der serielle Zyklendurchlauf
durch die Subeinheit oder Segmentgruppe 113 eine
wesentlich höhere Frequenz als die Niederfrequenzspannung der
Steuerspannungsänderung besitzt. Dies bedeutet beispielsweise
bei 256 Punktelektroden und einer angestrebten Zyklenfrequenz
von rund 1 kHz (entsprechend 1.000 Nachladevorgängen pro Punktelektrode
pro Sekunde) eine Schaltfrequenz von 256 kHz. Dieses
schnelle Schalten zwischen den Spannungsstufen der Steuerspannungschaltung
143 erlaubt auch eine ortsselektive Modellierung
des Feldverlaufs im Reaktionsraum 20 entsprechend einem
Wechselfeldverhalten. The switching frequency of the
Die gesamte Steuerelektronik 140, 150 gemäß Fig. 8 ist potentialmäßig
dem HF-Signal überlagert und deshalb schaltungstechnisch
kapazitätsarm vom Steuerrechner, dem Netz und anderen
Schnittstellen für Kühlzwecke usw. entkoppelt. Die Eingabe von
Steuersignalen über die Steuereinrichtung 150 erfolgt vorzugsweise
über einen Optokoppler.The
Die oben beschriebene adaptive Elektrode 11 und die zugehörige
Steuerelektronik können wie folgt modifiziert werden. Die
Zahl, Form und Anordnung der Elektrodensegmente kann anwendungsabhängig
verändert werden. Bei Realisierung einer Matrix
mit Punktelektroden kann die Zusammenfassung in Segmentgruppen
anwendungsabhängig verändert werden. Entsprechendes gilt für
den Spannungsbereich der Steuerspannungschaltung 143 und die
Größe der einstellbaren Spannungsschritte oder -stufen.
Schließlich kann der Aufbau im Reaktionsgefäß (s. Fig. 5) umgekehrt
werden, indem die geerdete Elektrode 12 auf der unteren
und die HF-Elektrode 11 (insbesondere die adaptive Elektrode
11) auf der oberen Seite angebracht werden.The above-described
Der wichtigste Vorteil der adaptiven Elektrode 11 ist die
Schaffung eines programmierbaren räumlichen stationären oder
niederfrequenten elektrischen Feldverlaufes im Reaktionsraum,
mit den geladenen Teilchen an bestimmten Orten festgehalten
oder in bestimmter Weise bewegt werden können. Dadurch sind
die zu manipulierenden Teilchen in beliebiger Weise positionierbar.The most important advantage of the
Fig. 9 zeigt eine schematische Seitenansicht von Teilen einer
erfindungsgemäßen Anordnung, bei der der Plasmakristall 50
zwischen der HF-Elektrode 11 und dem Substrat 30 mit der Verstelleinrichtung
31 einerseits und der Gegenelektrode 12 andererseits
stufenförmig ausgebildet ist. Diese Plasmakristallform
läßt sich beispielsweise durch Einsatz einer Entladevorrichtung
gemäß Fig. 2 erzielen. Durch eine teilweise Bestrahlung
der Plasmakristalls mit UV-Licht wird ein Teil der Teilchen
(in Fig. 9 der linke Bereich) entladen, so daß das
Gleichgewicht bei unveränderten Plasmabedingungen in einer geringen
Höhe über der HF-Elektrode 11 eingestellt wird. Durch
eine entsprechende Änderung der relativen Lage des Plasmakristalls
50 und/oder des Substrats 30 läßt sich eine teilweise
Beschichtung des Substrats 30 erzielen, wie es im unteren Teil
von Fig. 4 illustriert ist.Fig. 9 shows a schematic side view of parts of a
Arrangement according to the invention, in which the
Durch eine Strukturierung der HF-Elektrode 11 mit Strukturelementen
61 gemäß Fig. 10 kann das elektrische Feld zwischen der
HF-Elektrode 11 und der Gegenelektrode 12 derart beeinflußt
werden, daß sich der Plasmakristall nur in einem Bereich mit
einem Potentialminimum ausbildet, der sich über den Teilen der
HF-Elektrode 11 befindet, die nicht von den Strukturelementen
61 bedeckt sind. Werden die Strukturelemente 61 beispielsweise
durch Abdeckbalken gebildet, die einen streifenförmigen Zwischenraum
lassen, so besitzt der Plasmakristall 60 eine Streifenform
(Erstreckungsrichtung senkrecht zur Zeichenebene von
Fig. 10). Der Plasmakristall 60 läßt sich wiederum erfindungsgemäß
auf dem Substrat 30 ablagern. Alternativ zu der Streifengestaltung
gemäß Fig. 10 läßt sich die HF-Elektrode 11 mit
beliebigen Strukturelementen 61 strukturieren oder maskieren.By structuring the
Fig. 11 zeigt eine zusätzliche Möglichkeit der Ausübung äußerer
Kräfte auf ein Plasmakristall. Die schematische Draufsicht
auf eine erfindungsgemäße Anordnung zeigt die HF-Elektrode 11
mit der Steuereinrichtung 13 und das Substrat 30 mit der Verstelleinrichtung
31. Die HF-Elektrode 11 trägt Strukturelemente
(nicht dargestellt) gemäß Fig. 10, so daß sich ein streifenförmiger
Plasmakristall ausbildet. Die Gestalt des Plasmakristalls
70 läßt sich weiter verändern, indem Ablenkelektroden
71 synchron mit einer Wechselspannung beaufschlagt werden.
Die Ablenkelektroden 71 sind zu einer lateralen Auslenkung eines
schichtförmigen Plasmakristalls in der Schichtebene eingerichtet.
So läßt sich beispielsweise eine schlangenförmige
Schwingung der Teilchen erzielen, wie sie im unteren Teil von
Fig. 11 skizziert ist. Diese Kristallanordnung kann wiederum
auf dem Substrat 30 abgetragen werden.Fig. 11 shows an additional possibility of exercising external
Forces on a plasma crystal. The schematic plan view
to an inventive arrangement shows the RF electrode 11th
with the
In Fig. 12 ist eine Oberflächenbeschichtung mit langgestreckten
Partikeln gezeigt, die insbesondere zur Erzielung anisotroper
optischer Oberflächeneigenschaften eingerichtet ist.
Die langgestreckten Teilchen sind beispielsweise sogenannte
Bucky-Tubes (mikroskopische, rohrförmige Teilchen bestehend
aus einer regelmäßigen Anordnung von Kohlenstoffatomen). Die
Bucky-Tubes können beispielsweise eine Länge von einigen Mikrometern
und einen Durchmessern von rund 10 bis 20 nm besitzen.
Diese Teilchen besitzen eine verhältnismäßig große Oberfläche,
die zu einer starken Aufladung im Plasma und zu einer
Polarisation führt. Im Plasmakristall 80 sind die Bucky-Tubes
regelmäßig mit ihrer Längsausdehnung senkrecht zu den Ebenen
der Entladungselektroden ausgerichtet. Durch eine entsprechende
Annäherung an das Substrat 30 erfolgt die Adsorption der
langgestreckten Teilchen mit einer vertikalen Vorzugsrichtung,
wie es im unteren Teil von Fig. 12 illustriert ist. Diese Adsorbate
können gegebenenfalls in einem Zusatzschritt in ihrer
Lage durch eine Zusatzbeschichtung fixiert werden.In Fig. 12 is a surface coating with elongated
Particles shown in particular to achieve anisotropic
optical surface properties is set up.
The elongated particles are, for example, so-called
Bucky-Tubes (microscopic, tubular particles consisting
from a regular array of carbon atoms). The
For example, Bucky tubes may be a few microns in length
and have a diameter of about 10 to 20 nm.
These particles have a relatively large surface,
that lead to a heavy charge in the plasma and one
Polarization leads. In the
Gemäß Fig. 13, die eine Draufsicht auf Teile einer erfindungsgemäßen
Anordnung zeigt, ist eine Manipulierung des Plasmakristalls
90 auch durch Ausübung eines Strahlungsdrucks von einer
äußeren Lichtquelle 91 möglich. Die äußere Steuerlichtquelle
kann beispielsweise durch einen Helium-Neon-Laser mit einer
Leistung von rund 10 mW gebildet werden. Der mit dem Laserstrahl
auf die Partikel ausgeübte Strahlungsdruck erlaubt eine
präzise Positionskontrolle, die mit einer Beobachtungseinrichtung
17 (s. Fig. 1) überwacht werden kann. Mit Hilfe des
Strahlungsdrucks läßt sich ein Plasmakristall vorzugsweise
drehen (siehe Pfeil), oder auch auf ein seitlich angeordnetes
Substrat bewegen.According to Fig. 13, which is a plan view of parts of an inventive
Arrangement shows is a manipulation of the
Neben den illustrierten Ausführungsformen der Erfindung sind weitere Modifizierungen der erfindungsgemäßen Anordnung durch Einrichtung von Mitteln denkbar, mit denen durch Ausübung äußerer Kräfte die Bedingungen eines Plasmakristalls ortsselektiv verändert werden können. Beispielsweise ist es möglich, zusätzlich eine Magnetfeldeinrichtung zur gezielten Steuerung des Plasmas beispielsweise durch eine senkrecht zu den Elektrodenebenen ausgerichtete Magnetfeldrichtung zu erzielen. Es ist ferner möglich, das Beschichtungsverfahren dynamisch durchzuführen, wobei kontinuierlich Teilchen dem Plasmaraum zugeführt und nach Anordnung als Plasmakristall ortsselektiv auf die Substratoberfläche aufgetragen werden. Weitere Modifizierungen beziehen sich auf das Substrat. Das Substrat muß nicht eben sein, sondern kann eine gekrümmte Oberflächen aufweisen. Es können mehrere Substrate vorhanden sein. Es ist auch möglich, eine erfindungsgemäße Vorrichtung ohne Auftragung auf einem Substrat als Anzeigevorrichtung zu betreiben, bei der anisotrope Teilchen zur Anzeige vorbestimmter Muster zwischen verschiedenen Ausrichtungen umstellbar sind, die beispielsweise jeweils einen Zustand "Schwärzung" oder "Transparenz" repräsentieren. Es ist auch möglich, verschieden große Teilchen in verschiedenen Höhen eines Plasmas zu manipulieren und seitlich mit Anregungslichtquellen verschiedener Wellenlängen zu beleuchten, so daß farbige Anzeigen hoher Auflösung aufgebaut werden können.Besides the illustrated embodiments of the invention further modifications of the inventive arrangement Establishment of means conceivable with which by exercising external Forces the conditions of a plasma crystal in a location-selective manner can be changed. For example, it is possible In addition, a magnetic field device for targeted control of the plasma, for example, by a perpendicular to the electrode planes to achieve aligned magnetic field direction. It it is also possible, the coating process dynamic to carry out, whereby continuously particles to the plasma space fed and location-selective by arrangement as a plasma crystal be applied to the substrate surface. Further modifications refer to the substrate. The substrate must not be flat, but may have a curved surfaces. There may be several substrates. It is also possible, a device according to the invention without application to operate on a substrate as a display device, in the anisotropic particles for displaying predetermined patterns can be switched between different orientations, for example each one state "blackening" or "transparency" represent. It is also possible to have different sizes To manipulate particles at different heights of a plasma and laterally with excitation light sources of different wavelengths to illuminate, so that color displays high resolution can be built.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie durch eine unaufwendige Modifizierung herkömmlicher Plasmareaktoren (z.B. aus der Schaltkreis-Herstellung) realisiert werden kann, dessen Betriebsbedingungen gut bekannt und steuerbar sind. Die Erfindung ist zur Herstellung von sogenannten Designermaterialien mit besonderen Oberflächeneigenschaften verwendbar.A particular advantage of the invention is that they by an inexpensive modification of conventional plasma reactors (e.g., from circuit fabrication) can, whose operating conditions are well known and controllable are. The invention is for the production of so-called designer materials usable with special surface properties.
Claims (15)
- Method for the manipulation of particles (10, 40, 50, 60, 70, 80, 90), which are arranged in a plasma of a carrier gas in a plasma-crystalline state,
characterised in that a distance between the particles and a substrate surface is reduced so that the particles are applied at least partially on the substrate surface (30). - Method for the manipulation of particles (10, 40, 50, 60, 70, 80, 90), which are arranged in a plasma of a carrier gas in a plasma-crystalline state,
characterised in that the particles are at least partially subjected to a plasma treatment in the form of a plasma coating or removal. - Method according to Claim 2, wherein the particles are moved into a treatment position for the plasma treatment at least partially through an application of external displacement forces and/or a change in the plasma conditions.
- Method according to Claim 3, wherein after the plasma treatment the particles are applied at least partially on a substrate surface (30).
- Method according to Claim 1 or 4, wherein a distance of the particles from the substrate surface is changed through a movement of the substrate surface, an application of external displacement forces and/or a change in the plasma conditions, until the particles adhere at least partially on the substrate surface.
- Method according to one of Claims 2 to 5, wherein the external displacement forces are caused by a location-selective particle discharge or a light radiation pressure.
- Method according to one of Claims 3 to 5, wherein the change in the plasma conditions comprises a change in plasma pressure, plasma temperature, carrier gas, plasma energy and/or operating frequency of the plasma, a shutdown of the plasma generation and/or an influencing of electrical fields in the region of the particles in the plasma-crystalline state.
- Method according to Claim 7, wherein the influencing of the field comprises the adjustment of a static electrical field such that the particles in plasma-crystalline state arrange themselves along a predetermined curved surface or in a region defined in a predetermined manner.
- Method for coating a substrate surface with particles, which are manipulated using a method according to one of Claims 1 to 8.
- Device for the manipulation of particles (10, 40, 50, 60, 70, 80, 90), which are located in a plasma-crystalline state in the plasma of a carrier gas in a reaction vessel with flat, essentially parallel plasma electrodes (11, 12), which are fitted for the formation of a gas or glow discharge in the carrier gas, wherein at least one substrate (30) is arranged in the reaction vessel, characterised in that a field-forming electrode structuring means (41) is arranged in the reaction vessel for the location-specific deformation of the field between the plasma electrodes (11, 12) and for the location-specific manipulation of the particles in the plasma-crystalline state.
- Device according to Claim 10, wherein the substrate is movably arranged between the plasma electrodes (11, 12).
- Device according to one of Claims 10 to 11, which additionally has means for the location-selective particle discharge, means for exerting a radiation pressure and/or observation means.
- Device according to Claim 10, wherein the electrode structuring means is formed by a high-frequency electrode system, which is configured in a reaction vessel for the generation of a field distribution and has a plurality of electrode segments, which are fitted to be subjected jointly to a high-frequency voltage to generate or maintain a plasma state in the reaction vessel and respectively individually subjected to a specific a.c. or low-frequency voltage to generate a static or slowly varying field distribution in the reaction vessel.
- Device according to Claim 13, wherein the electrode segments form a matrix arrangement of point electrodes (115), wherein the electrode surfaces of the point electrodes are substantially smaller than the total surface of the matrix arrangement.
- Device according to one of Claims 13 or 14, wherein the electrode segments (115) are provided on an insulation plate (122), the front side of which points to the reaction vessel for the formation of the plasma and for each electrode segment has a socket, which is respectively fitted to receive a plug unit (123), wherein each plug unit bears a printed board (124) with coupling and control circuits (131, 127, 128, 129) and the printed boards (124) are arranged in an area, which is subjected to a low pressure or is filled with an insulating liquid.
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